Bioanalytical an mechanistical analysis of isoform specific Sirtuin modulation

Titelangaben

Suenkel, Benjamin:
Bioanalytical an mechanistical analysis of isoform specific Sirtuin modulation.
Bayreuth , 2023 . - X, 112 S.
( Dissertation, 2016 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

Volltext

	Format: PDF Name: Diss_BSuenkel_final.pdf Version: Veröffentlichte Version Verfügbar mit der Lizenz Deutsches Urheberrechtsgesetz. Das Dokument darf zum eigenen Gebrauch kostenfrei genutzt werden. Darüber hinaus bedürfen die Vervielfältigung, Bearbeitung, Verbreitung und jede Art der Verwertung der schriftlichen Zustimmung des jeweiligen Rechteinhabers.
	Download (17MB)

Abstract

Sirtuins are protein deacylases involved in a variety of cellular pathways. Furthermore, they contribute to the effects of Caloric Restriction (CR), the reduction of calorie intake which results in health benefits and life-span extension in many organisms. In order to benefit from Sirtuin activity in therapeutic approaches, a detailed understanding of Sirtuin modulating strategies, e.g. by small molecule compounds, is necessary. Although the enzymatic mechanism of Sirtuins is understood quite well, only limited data is available about physiological Sirtuin modulation. Furthermore, several pharmacological molecules are described for these enzymes. However, the majority of these modulators is only characterized against one or two out of the seven mammalian Sirtuins. In addition, for some Sirtuins no proper inhibiting compound is known and for the majority of Sirtuins no activator is described yet. Thus, it is important to identify novel pharmacological compounds targeting just a specific Sirtuin enzyme as it is known that Sirtuins can exhibit beneficial or negative effects in a context specific manner. In this study physiological as well as pharmacological modulation mechanisms for specific Sirtuins were analyzed. Along with already identified but uncharacterized posttranslational modifications (PTMs) yet unknown Sirtuin PTMs were discovered using mass spectrometry. Mutational studies indicated that these PTMs affect both the stability and activity of these enzymes. In addition, the physiological Sirtuin inhibitor nicotinamide, which was the only physiological Sirtuin modulating ligand identified in mitochondrial lysate, was characterized towards its effects against the different activities of human Sirt5. Specificity analyses revealed that already known Sirtuin modulators are not active against Sirt5 except for the Sirt2 inhibitor GW5074. Furthermore, structure based models as well as biochemical studies suggest acylated lysine derivatives as a promising starting point for the development of Sirt5 specific inhibitors. For Sirtuin activation, 1,4-dihydropyridines (1,4-DHPs) were confirmed as promising compounds. For the first time, specific activators for the human SIrt3 and Sirt5 were identified by derivatization of the 1,4-DHP scaffold. This study contains detailed data about the specificity of Sirtuin modulators and identifies strategies for a specific regulation of distinct Sirtuins. These results provide important clues for the further optimization of pharmacological compounds.

Abstract in weiterer Sprache

Sirtuine sind Proteindeacylasen, die an vielen zellulärer Prozesse beteiligt sind. Außerdem tragen sie zu den Effekten der Kalorienrestriktion (Caloric Restriction, CR) bei, d.h. der Reduktion der Kalorienaufnahme, die in vielen Organismen die Gesundheit fördert und die Lebensspanne verlängert. Um jedoch in therapeutischen Ansätzen von dieser Sirtuinaktivität profitieren zu können, ist ein genaues Verständnis über Regulationsmöglichkeiten dieser Enzyme nötig. Obwohl der Reaktionsmechanismus der Sirtuine bereits gut verstanden ist, gibt es wenige Daten darüber, wie diese Enzyme physiologisch reguliert werden. Ferner wurden bereits einige pharmakologisch wirksame Moleküle gegenüber Sirtuinen identifiziert. Allerdings sind diese Modulatoren in den meisten Fällen nur gegen eines oder zwei der sieben unterschiedlichen Säuger-Sirtuine charakterisiert worden. Darüber hinaus sind nur für wenige Sirtuine gute Inhibitoren bekannt, Aktivatoren sind für die meisten Sirtuine nicht beschrieben. Daher ist es wichtig, neue pharmakologische Wirkstoffe zu identifizieren, die nur gegen ein spezifisches Sirtuin aktiv sind, da diese Enzyme kontextspezifisch positive oder negative Effekte aufweisen. In dieser Studie wurden sowohl physiologische als auch pharmakologische Ansätze zur spezifischen Sirtuinmodulation untersucht. Neben bereits bekannten aber nicht charakterisierten posttranslationalen Modifikationen (PTMs) konnten bisher unbekannte PTMs an unterschiedlichen Sirtuinen identifiziert werden. Mutationsstudien deuten einen Einfluss auf die Stabilität und Aktivität dieser Enzyme an. Weiterhin wurde der Einfluss des physiologischen Sirtuininhibitors Nikotinamid, neben dem kein weiterer physiologischer Sirtuin modulierender Ligand in mitochondrialem Lysat identifiziert werden konnte, auf die unterschiedlichen Aktivitäten des humanen Sirt5 untersucht. In Spezifitätsanalysen konnte erstmals gezeigt werden, dass bis auf den Sirt2 Inhibitor GW5074 bereits beschriebene pharmakologische Sirtuinmodulatoren gegen Sirt5 nicht aktiv sind. Anhand strukturbasierter Modelle und biochemischer Analysen konnten unterschiedlich acylierte Lysinderivate als Ausgangspunkt für die Entwicklung vielversprechender spezifischer Sirt5-Inhibitoren identifiziert werden. Weiterhin wurden 1,4-Dihydropyridine (1,4-DHPs) als vielversprechende Sirtuinaktivatoren bestätigt. Durch Derivatisierung des 1,4-DHP-Gerüstes konnten erstmals spezifische Aktivatoren für die humanen Sirtuine Sirt3 und Sirt5 identifiziert werden. Diese Studie führt detaillierte Daten zur Spezifität von Sirtuinmodulatoren auf und identifiziert Strategien, die eine spezifische Regulation einzelner Sirtuine ermöglicht. Diese Ergebnisse sind wichtige Erkenntnisse für die weitere Optimierung pharmakologischer Substanzen.