Специфічне для тканин регулювання SIRT1 обмеженням калорій

Даніка Чень

1 Департамент біології, Массачусетський технологічний інститут, Кембридж, штат Массачусетс 02139, США;

Джоан Бруно

1 Департамент біології, Массачусетський технологічний інститут, Кембридж, штат Массачусетс 02139, США;

Ерін Іслон

2 Секція мікробіології Каліфорнійського університету в Девісі, Девіс, Каліфорнія 95616, США;

Су-Джу Лінь

2 Секція мікробіології Каліфорнійського університету в Девісі, Девіс, Каліфорнія 95616, США;

Хвей-Лінг Ченг

3 Медичний інститут Говарда Хьюза, Дитяча лікарня, Інститут імунних захворювань та Департамент генетики, Гарвардська медична школа, Бостон, штат Массачусетс 02115, США

Фредерік В. Альт

Леонард Гуаренте

1 Департамент біології, Массачусетський технологічний інститут, Кембридж, штат Массачусетс 02139, США;

Анотація

Повідомляється, що обмеження калорій (CR) підвищує рівень білка SIRT1 у мишей, щурів та людей, а підвищена активність ортологів SIRT1 продовжує тривалість життя дріжджів, глистів та мух. У цьому дослідженні ми кидаємо виклик парадигмі того, що CR індукує активність SIRT1 у всіх тканинах, показуючи, що активність цього сиртуїну в печінці насправді знижується за допомогою CR і активується висококалорійною дієтою. Ми демонструємо цю зміну, аналізуючи рівні SIRT1 та його регуляторів малих молекул, NAD та NADH, а також оцінюючи фенотипи печінково-специфічної миші-нокаута SIRT1 на різних дієтах. Наші висновки свідчать про те, що розробка CR-міметиків, спрямованих на SIRT1 для забезпечення однакових системних переваг, може бути більш складною, ніж уявляється на сьогодні.

Споживання калорій впливає на тривалість життя та частоту захворювань у тварин (Koubova and Guarente 2003). Надлишок їжі пояснює недавнє історичне збільшення обмінних порушень у людей. І навпаки, обмеження калорій (CR) сприяє метаболічній придатності, тривалому життю та захисту від захворювань на моделях гризунів (Weindruch 1988). Було виявлено кілька генетичних шляхів, які регулюють дієту, метаболізм і тривалість життя (Van Remmen et al. 2001; Koubova and Guarente 2003; Kenyon 2005; Sinclair 2005).

Гени, пов'язані з дріжджами SIR2, які називаються сиртуїнами, кодують NAD-залежні деацетилази та сприяють довголіттю дріжджів, глистів та мух (Chen and Guarente 2007). У модельних системах, починаючи від дріжджів і мишей, сиртуїни також були пов'язані з оздоровчим ефектом CR. Ортолог SIRT1 для ссавців націлений на численні регуляторні фактори, що впливають на управління стресом та метаболізм (Sinclair 2005; Chen and Guarente 2007). Як повідомляється, рівні SIRT1 зростають у тканинах гризунів та людини у відповідь на CR (Cohen et al. 2004; Nisoli et al. 2005; Civitarese et al. 2007), і це підвищення пропонується спричинити сприятливі зміни в обміні речовин та толерантність до стресу, спричинена цією дієтою. Також пропонується поліфенольний ресвератрол частково імітувати CR шляхом активації SIRT1, щоб викликати сприятливий вплив на здоров'я (Baur et al. 2006; Lagouge et al. 2006).

Результати і обговорення

Диференціальна регуляція SIRT1 в тканинах мишей CR. (A) Експресія SIRT1 регулюється в м’язах та WAT, але знижується в печінці мишей CR. Експресія SIRT1 у печінці, м'язах та WAT мишей, яких годували дозвільно або з обмеженою калорійністю, визначали методом Вестерн-блот з антитілами проти SIRT1. Як контроль завантаження використовували тубулін. (B) Співвідношення NAD/NADH збільшується в м’язах і WAT, але зменшується в печінці мишей CR. Зверніть увагу, що рівні як NAD, так і NADH збільшуються в WAT на CR. Концентрації NAD та NADH у печінці, м’язах та WAT мишей дикого типу та нокауту SIRT1, що харчуються за свободою або з обмеженою калорійністю, виражаються як наномоль на грам тканини.

Миші-нокаути SIRT1, специфічні для печінки, не мають явного фенотипу при харчуванні чау-дієтою. (A) SIRT1 спеціально вибитий у печінці мишей SIRT1 LKO. Експресія SIRT1 у печінці, м'язах та WAT була виявлена за допомогою вестерн-блоттінгу антитілами проти SIRT1. Актин використовували як контроль навантаження. (B – F) Порівнювали масу тіла, масу печінки, рівень глюкози в крові та рівень інсуліну (годували та натощак) та толерантність до глюкози між мишами дикого типу та SIRT1 LKO на дієті чау-чау.

Далі ми протестували LKO-мишей на висококалорійній/жирній західній дієті проти дієти CR. Миші LKO показали надзвичайно значну різницю у західній дієті порівняно з диким типом (рис. 3). Збільшення ваги з часом, що є показником накопичення жиру в організмі, було зменшено у мишей LKO (рис. 3А), навіть незважаючи на те, що на споживання їжі це не впливало (дані не наведені). Відповідно накопичення жиру у ВАТ та печінці значно зменшилось у мишей LKO (рис. 3B – D). Крім того, миші LKO були захищені від фізіологічного спаду, викликаного західною дієтою у мишей дикого типу; вони були більш толерантними до глюкози і мали нижчий рівень глюкози в крові та інсуліну (рис. 3E – G). Ми прийшли до висновку, що миші LKO принаймні частково захищені від накопичення жиру та супроводжують дефіцит метаболізму на західній дієті. Миші KO SIRT1 для всього тіла на дієті з високим вмістом жиру також захищені від набору маси тіла та накопичення жиру в печінці (X. Li та L. Guarente, не опубліковано), що узгоджується з нашими висновками з використанням мишей LKO.

Той факт, що LKO мав фенотиповий ефект на мишей, які харчуються висококалорійною дієтою, але не на мишей, які харчуються звичайною дієтою чау, припускає, що активність печінки SIRT1 може бути прямо пропорційною калорійності, і передбачав, що цей сиртуїн може бути непрацездатним у печінці мишей дикого типу на CR. Відповідно до цієї ідеї, миші LKO демонстрували втрату ваги та зменшення жиру з часом на CR, який був паралельним дикому типу (рис. 4A, B). Зменшення розміру печінки, яке частково спричиняється апоптозом після накладення CR (Grasl-Kraupp et al. 1994; James et al. 1998), також спостерігалося у звичайних мишей LKO (рис. 4C). Далі, метаболічні параметри, які тестували (толерантність до глюкози в крові, інсуліну та глюкози), змінювались однаково у мишей LKO (рис. 4D – F). Нарешті, індукована CR-регуляція двох ключових глюконеогенних генів, PEPCK та глюкозо-6-фосфатази (G6P), а також їх транскрипційний коактиватор PGC-1α, у мишей LKO протікала нормально (рис. 4G).