1. Régulation de l’activité de SIRT1 par la disponibilité en NAD+
La nécessité du NAD+ pour l’activité de SIRT1, associée à un Km élevé (estimé à
environ 150-200µM, (Smith, Hallows et al. 2009)), fait de la disponibilité de ce cofacteur une étape clé dans la régulation de SIRT1 (Imai, Armstrong et al. 2000, Landry, Slama et al. 2000, Lin, Defossez et al. 2000). Ainsi, une augmentation importante de l’activité de SIRT1 est observée lorsque des cellules en culture ou des souris sont traitées avec du nicotinamide riboside (NR) qui est rapidement transformé en NAD+, notamment par les kinases de la famille NRK (Nicotinamide Ribosides Kinases) (Bieganowski and Brenner 2004, Canto, Houtkooper et al. 2012). Par ailleurs, la diminution de l’expression de protéines
consommatrices de NAD+, telles que PARP-1 ou CD38, induit une augmentation du NAD+
disponible et stimule l’activité de SIRT1 (Bai, Canto et al. 2011). A l’inverse, le produit des réactions de déacétylations des protéines, le nicotinamide (NAM), est un puissant inhibiteur de SIRT1 (Landry, Slama et al. 2000, Anderson, Bitterman et al. 2003). Une stimulation de la Nampt (Nicotinamide phosphoribosyltransferase), enzyme impliquée dans la synthèse du
NAD+ à partir du NAM, induit une augmentation importante de l’activité de SIRT1 en
augmentant le taux de NAD+ dans la cellule, alors qu’une délétion de cette enzyme diminue
l’activité de SIRT1 (Wang, Hasan et al. 2011).
Dans une situation de stress comme la restriction calorique ou l’activité physique,
l’accumulation du NAD+ active SIRT1, ce qui stimule la biogénèse mitochondriale et permet
de faire face à la demande énergétique importante induite par le stress. De plus, lors de ces stress, le rapport ATP/AMP diminue, ce qui augmente l’activité de l’AMPK (AMP activated Kinase). Une fois activée, cette kinase induit l’augmentation de l’expression de la Nampt, ce qui stimule la resynthèse de NAD+ et donc l’activité de SIRT1 (Fulco, Cen et al. 2008). La forte activation de SIRT1 en réponse à un stress métabolique, fait donc de cette déacétylase un senseur métabolique permettant l’adaptation des capacités de productions énergétiques en fonction de la consommation et des besoins énergétiques de la cellule (pour revue, voir (Houtkooper, Canto et al. 2010)).
2. Régulation de l’activité de SIRT1 par modification post-traductionnelle
a. Régulation par phosphorylation
En réponse à différents type de stress, tels qu’un stress génotoxique, un stress oxydant ou encore une perturbation de l’homéostasie calcique, SIRT1 est phosphorylée sur plusieurs résidus, parmi lesquels on peut citer Thr522, Thr530, Ser27, Ser47, Ser154, Ser434, Ser540, Ser649, Ser651, Ser659, Ser661 et Ser683. Ces phosphorylations sont régulées par différentes kinases dont neuf ont été identifiées à ce jour : JNK1 (Nasrin, Kaushik et al. 2009), PKA (Gerhart-Hines, Dominy et al. 2011), CK2 (Kang, Jung et al. 2009), mTOR ((Back, Rezvani et al. 2011), DYRK1A et DYRK3 (Guo, Williams et al. 2010), cyclinB/Cdk1 (Sasaki, Maier et al. 2008), CDK5 (Bai, Liang et al. 2012) et CAMKII (ca2+/calmodulin kinase II (Wen, Chen et al. 2013)).
Le rôle de ces phosphorylations n’est pas totalement élucidé, mais de manière générale, la phosphorylation de SIRT1 est considérée comme une modification entrainant une augmentation de son activité. Selon certains auteurs, l’activation de SIRT1 par
phosphorylation serait liée à une diminution de l’agrégation de cette protéine, limitante pour son activité (Guo, Williams et al. 2010). Dans d’autres études, cette phosphorylation est décrite comme régulatrice de la translocation de SIRT1 du cytoplasme vers le noyau. SIRT1 une fois phosphorylée serait adressée au noyau pour réguler l’activité de protéines nucléaires, notamment des facteurs de transcription et des histones (Nasrin, Kaushik et al. 2009). Il a également été démontré que la phosphorylation de SIRT1 induit un changement conformationel de la protéine, permettant une meilleure accessibilité aux substrats acétylés et une dissociation plus rapide des substrats déacétylés (Sasaki, Maier et al. 2008, Guo, Williams et al. 2010). Enfin, bien que la régulation directe de l’activité de SIRT1 par JNK2 ne soit pas encore démontrée, la délétion de JNK2 entraine une diminution de la phosphorylation de SIRT1 sur le résidu Ser27, associée à une diminution de la demi-vie de SIRT1 (Ford, Ahmed et al. 2008). Il est également intéressant de mentionner qu’une phosphorylation maintenue sur une longue durée induit la dégradation de SIRT1 (Gao, Zhang et al. 2011).
b. Régulation par nitrosylation, methylation et sumoylation
En réponse à un stress induit par l’oxyde nitrique, GAPDH est nitrosylée, se lie à la protéine Siah1 et transloque dans le noyau où ce complexe nitrosyle SIRT1 sur les résidus Cys387 et Cys390, inhibant ainsi son activité (Kornberg, Sen et al. 2010). SIRT1 est également methylée sur de nombreux résidus lysines (Lys233, 235, 236, 238). Cette méthylation est régulée par la methyltransferase Set7/9, est augmentée lors de dommages à l’ADN et inhibe l’activité de SIRT1 (Liu, Wang et al. 2011). D’autres études ont également montré que SIRT1 est sumoylée sur le résidu lysine 734 et désumoylée par la désumoylase nucléaire SENP1. Cette sumoylation permettrait de maintenir SIRT1 dans le noyau et d’augmenter son activité transcriptionelle. Une activation de la sumoylase SENP1 induite par un stress oxydant, entraine une désumoylation responsable d’un défaut de translocation de SIRT1 dans le noyau et d’une diminution de l’activité de SIRT1 (Yang, Fu et al. 2007).
3. Régulation de l’activité de SIRT1 par interactions avec d’autres protéines
a. Régulation par DBC1
DBC1 pour Deleted in Breath Cancer 1 est une protéine récemment découverte qui comme son nom l’indique serait absente dans des cellules tumorales de cancer du sein. Cette protéine est capable de se fixer sur la partie catalytique de SIRT1 et d’inhiber son activité ((Kim, Chen et al. 2008, Zhao, Kruse et al. 2008). SIRT1 peut réguler par elle-même son activité par un changement conformationnel entrainant un rapprochement entre le domaine d’activité déacétylase et un domaine appelé ESA (Esssential for SIRT1 Activity). L’inhibition induite par DBC1 serait liée à une limitation de l’interaction entre ces deux domaines (figure 25, (Kang, Suh et al. 2011)).
Figure 25 : Représentation schématique de l’auto-régulation de l’activité de déacétylase de SIRT1 et présentation du rôle de DBC1 dans ce processus. Le rapprochement du domaine
ESA et du domaine portant l’activité catalytique stimule la déacétylation des substrats de SIRT1. La perturbation de ce rapprochement induit par une double mutation (GPDR pour Gly 644→Pro (G644P) and Asp 650→Arg (D650R)) inhibe la déacétylation des substrats de SIRT1. DBC1 se fixe au domaine portant l’activité de déacétylase de SIRT1 par le biais de son domaine LZ (Leucine Zipper) et bloque l’accès au domaine ESA. D’après (Kang, Suh et al. 2011).
Certains auteurs ont ainsi émis l’hypothèse que différents mécanismes capables de réguler l’activité de SIRT1 permettraient en fait de limiter l’interaction SIRT1/DBC1 et ainsi de conserver son activité de déacétylase. Dans ce contexte, il a été démontré que l’AMPK, dont l’activation est connue pour stimuler SIRT1 régulerait l’interaction SIRT1/DBC1. L’activation de SIRT1 par l’AMPK serait donc liée à la dissociation de SIRT1 et de DBC1 (Nin, Escande et al. 2012).
b. Régulation par AROS
AROS (pour Active Regulator Of SIRT1) est une protéine nucléaire de 142 acides aminés dont la première fonction découverte en 2007 est d’activer SIRT1 (Kim, Kho et al. 2007). Une forme purifiée de cette protéine est en effet capable de se lier à SIRT1 et d’augmenter son activité de déacétylase. Une étude plus récente suggère qu’AROS module l’activité de SIRT1 de manière antagoniste à l’inhibition induite par DBC1 (Raynes, Pombier et al. 2013). Cependant, il a récemment été démontré qu’AROS joue également un rôle dans la survie de cellules cancéreuse de manière indépendante à son rôle sur l’activité de SIRT1 (Knight, Allison et al. 2013).
III. Les cibles de SIRT1
L’étude intensive du rôle de SIRT1 (2784 articles ont été publiés sur SIRT1 depuis 1995), a permis la découverte de nombreuses protéines cibles de cette déacétylase, l’impliquant dans un grand nombre de processus cellulaires. Cependant, beaucoup de ces cibles ont été découvertes en utilisant le resveratrol, un activateur indirect et non spécifique de SIRT1. Dans ce chapitre j’ai donc choisi de faire une liste non exhaustive des principaux processus dans lesquels SIRT1 est impliqué en m’appuyant uniquement sur les travaux où la déacétylation de la cible de SIRT1 a été clairement démontrée.
Figure 26 : Schéma récapitulatif de la régulation de SIRT1 et des principaux processus dans lesquels cette déacetylase est impliquée.