SIRT4 y metabolismo celular

Las sirtuinas (SIRT) incluyen desacilasas dependientes de β-NAD⁺ y ADP-ribosiltransferasas involucradas en el metabolismo y el envejecimiento. Las SIRT pueden ser divididas en nucleares (SIRT1, SIRT6 y SIRT7), mitocondriales (SIRT3, SIRT4, SIRT5) y citoplasmáticas (SIRT2), y algunas SIRT se encuentran en más de un compartimento. Las SIRT mitocondriales están involucradas en la regulación metabólica  y la defensa antioxidante. En este contexto, la SIRT4 es crítica para el metabolismo celular y las respuestas al daño del ADN en la mitocondria. La SIRT4 tiene los aminoácidos necesarios para participar en la reacción desacilasa, concretamente un dominio desacilasa, una histidina catalítica y un dominio de unión a NAD⁺. Los estudios genéticos dividen las SIRT humanas en cuatro clases. La SIRT4 pertenece a la clase II de las SIRT humanas. En humanos, el mARN y la proteína SIRT4 han sido detectados en músculo esquelético, riñón, testículo e hígado. Este patrón de expresión es consistente con las funciones de la SIRT4.

   La SIRT4 reduce la actividad de la glutamato deshidrogenasa (GDH) y por tanto inhibe la secreción de insulina en las células β pancreáticas. La GDH facilita el metabolismo de glutamina y la producción de ATP, induciendo la secreción de insulina. La GDH es ADP-ribosilada e inhibida por la SIRT4, lo cual reprime la secreción de insulina mediada por leucina. La depleción de SIRT4 activa la GDH y por tanto incrementa la secreción de insulina estimulada por aminoácidos. Las células β derivadas de ratones SIRT4 “knockout” y las derivadas de ratones sometidos a restricción calórica muestran un efecto similar sobre la secreción de insulina. La fosfodiesterasa (PDE) puede ser usada en la investigación de la ribosilación de ADP porque rompe la unión ADP-ribosa y puede liberar la inhibición. La GDH de ratones con deficiencia de SIRT4 es insensible a la PDE. Un estudio reciente demuestra que la SIRT4 cataliza la remoción de las modificaciones de lisina: metilglutaril (MG)-lisina, hidroximetilglutaril (HMG)-lisina y 3-metilglutaconil (MGc)-lisina. La SIRT4 participa en la oxidación de la leucina removiendo secuencialmente estas modificaciones. La región α-hélice que contiene el sitio catalítico de la SIRT4 ha sido asociada con una interacción con modificaciones acil cargadas negativamente. La sobre expresión de SIRT4 en las células resulta en una disminución de los niveles de expresión de glutaril-lisina, MG-lisina y HMG-lisina. El complejo metilcrotonil-CoA carboxilasa (MCCC) está asociado con el catabolismo de la leucina e interactúa con la SIRT4. La ausencia de SIRT4 incrementa y desestabiliza la acilación de MCCC, provocando una disminución del flujo de leucina. La represión de la actividad de la GDH y el metabolismo de la glutamina por la SIRT4 cambia el nivel de leucina, activador alostérico de la GDH.

   El efecto represivo de la SIRT4 sobre la oxidación de ácidos grasos (OAG) en células musculares es regulado por desacetilación e inhibición de la actividad de la malonil-CoA descarbolixasa (MCD) mitocondrial, provocando un incremento en los niveles de malonil-CoA. El malonil-CoA es un metabolito clave que inhibe el catabolismo de lípidos y promueve la síntesis de grasa. Hay dos enzimas que regulan los niveles celulares de malonil-CoA. La MCD cataliza la conversión de malonil-CoA en acetil-CoA, mientras la acetil-CoA carboxilasa (ACC) convierte acetil-CoA de nuevo en malonil-CoA a través de una reacción regulada por la fosforilación de la AMPK. Los ácidos grasos citoplasmáticos transportados en la matriz mitocondrial cruzan las membranas mitocondriales externa e interna para la β-oxidación, y esta etapa clave es catalizada por la carnitina palmitoiltransferasa (CPT1), la cual es inhibida por el malonil-CoA  acumulado. Durante el estado alimentado, cuando los intermediarios metabólicos se dirigen a la síntesis de grasa y los depósitos de energía, aumenta el malonil-CoA. Esto suprime la entrada de ácidos grasos en las mitocondrias y debilita  secuencialmente la OAG. Por el contrario, en el estado de ayuno, el malonil-CoA disminuye y la OAG se dirige a la producción de energía. Por lo tanto, la SIRT4 regula los niveles de malonil-CoA en músculo esquelético  y tejido adiposo blanco en los estados alimentado y ayuno. Adicionalmente, como unidad de síntesis de ácidos grasos, el malonil-CoA acumulado promueve y proporciona un esqueleto de carbono para la biosíntesis de ácidos grasos en el tejido adiposo blanco. La sobre expresión de SIRT4 incrementa la lipogénesis y disminuye la OAG en ratones, mientras los ratones SIRT4 “knockdow” muestran el efecto opuesto sobre la síntesis y el catabolismo de lípidos. Entonces, la SIRT4  coordina la homeostasis de lípidos promoviendo el anabolismo y reprimiendo el catabolismo de lípidos.

   El hígado juega un rol en la homeostasis de energía balanceando el metabolismo de lípidos y las demandas energéticas. En el estado alimentado, la lipogénesis hepática y la secreción de lipoproteínas son activadas. Por el contrario, durante el ayuno, la OAG hepática es estimulada para proporcionar cuerpos cetónicos como combustible energético para el cerebro. Uno de los mediadores claves de la respuesta hepática al ayuno es el receptor nuclear, receptor activado por el proliferador de peroxisoma α (PPARα). La SIRT4 media negativamente la OAG en las células hepáticas a través de la supresión de la actividad transcripcional del PPARα. Más específicamente, la interacción de SIRT1 y PPAR es alterada por la SIRT4, atenuando la actividad transcripcional del PPARα vía SIRT1 para inhibir la OAG. En las células hepáticas normales, la SIRT1 es reclutada por los elementos de respuesta de PPARα para catalizar la desacetilación de la N-acetil-lisina del coactivador gamma 1α del PPARα (PGC-1α) y promover la OAG. Adicionalmente, la SIRT4 compite con otras sirtuinas, incluyendo SIRT1, por la β-NAD+, provocando una disminución de la actividad de la SIRT1, de la actividad trancripcional del PPARα y de la OAG. Durante el ayuno, la OAG es promovida como fuente de energía celular. Entonces, la SIRT4 bloquea  la interacción de SIRT1 y PPARα, provocando una  disminución de la OAG hepática.

   La SIRT4, además de regular la OAG, contribuye a la homeostasis celular del ATP y a la biogénesis mitocondrial. La lesión de la SIRT4 disminuye los niveles de ATP y la sobre expresión de SIRT4 aumenta los niveles de ATP. La ATP/ADP translocasa 2 (ANT2a, proteína transmembrana mitocondrial) ayuda a la SIRT4 a mediar la homeostasis celular de ATP.  La N-acilación de la ANT2 facilita la respiración mitocondrial  aumentando el desacoplamiento mitocondrial y disminuyendo la producción de ATP. La SIRT4 cataliza la desacilación de la N-acil-lisina de la ANT para reducir el desacoplamiento mitocondrial y aumentar la producción de ATP. En la ruta de señalización mitocondrial la depleción de SIRT4 activa la AMPK para  disminuir los niveles de ATP. La AMPK activada fosforila e inhibe la ACC  citoplasmática, provocando una reducción  de la promoción de la OAG.

   La SIRT4 es necesaria para la regulación de la OAG en células normales, pero también ha sido identificada como supresor de tumores localizados en las mitocondrias. La SIRT4 posee efectos supresores de tumores debido al rol regulador del metabolismo mitocondrial en la tumorogénesis. La SIRT4 juega un rol importante en la respuesta al daño del ADN regulando la inhibición del catabolismo de la glutamina inducida por el ADN dañado. El ADN dañado incrementa el flujo a través de la ruta de la pentosa fosfato y disminuye la captación de glutamina y los niveles de intermediarios del ciclo de Krebs. La glutaminasa mitocondrial puede catabolizar la glutamina para formar glutamato vía GDH mitocondrial y aspartato aminotransferasa. La SIRT4 inhibe la GDH y por tanto está involucrada en la inhibición del metabolismo de la glutamina inducida por el ADN dañado. La SIRT4 posee un efecto supresor de tumor debido a su acción inhibidora sobre el catabolismo de la glutamina y su acción anti-proliferativa sobre células con ADN dañado. La expresión de SIRT4 es regulada al alza por el ADN dañado y regulada a la baja en muchos tipos de tumores humanos. La depleción de SIRT4 provoca elevación de la proliferación dependiente de glutamina e inestabilidad genómica inducida por estrés, resultando en fenotipos tumorigénicos. En ausencia de SIRT4, el daño del ADN resulta en un retardo en la reparación del ADN, lo cual sugiere que la SIRT4 podría proteger las células del daño espontáneo.  En células del linfoma de Burkitt humano, la sobre expresión de SIRT4 reprime el metabolismo de la glutamina y la proliferación de células dependiente de glutamina. La SIRT4 es sobre expresada en células de cáncer colorectal e incrementa la expresión de E-caderina, lo cual resulta en la supresión de la proliferación celular y la invasión tumoral. El rol supresor de la SIRT4 en el cáncer colorectal también es mediado por la inhibición del metabolismo de la glutamina. Más aún, la SIRT4 podría aumentar la sensibilidad de las células de cáncer colorectal a la droga química 5-fluoruracilo inhibiendo el ciclo celular, lo que demuestra el efecto antiproliferativo de la sobre expresión de SIRT4. La sobre expresión de SIRT4 disminuye el crecimiento celular y la transformación  y el desarrollo del tumor. Por lo tanto, la SIRT4, como reguladora del metabolismo de la glutamina, actúa como un componente necesario de la ruta de respuesta al daño del ADN que maneja el bloqueo del metabolismo de la glutamina, el ciclo celular y la supresión de tumor.

   En conclusión, la SIRT4 posee actividades ADP-ribosiltransferasa, lipoamidasa y desacilasa. Las actividades enzimáticas y los  sustratos de la SIRT4 varían en  diferentes tejidos y células. La SIRT4 inhibe la secreción de insulina como una ADP-ribosiltransferasa y regula la sensibilidad a la insulina como una desacilasa en el páncreas. La SIRT4 reprime la OAG en músculo esquelético e hígado. La SIRT4 también ha sido identificada como supresora de tumores con localización mitocondrial.

Fuente: Min Z et al (2019). The roles of mitochondrial SIRT4 in celular metabolism. Frontiers in Endocrinology 9:783.