The epigenetic regulation of cell cycle and chromatin dynamic by sirtuins

Abstract

The chromatin consists of a hierarchical and dynamical structure that is modulated during the different cell cycle stages in order to maintain genome integrity and preserve the genetic information coded in the DNA. The dynamic structure of the chromatin depends on the coordination of the different chromatin remodeling processes: histone modifications, chromatin remodeling enzymes/complexes, DNA methylation and chromatin architectural proteins (CAPs). Within the chromatin, the histone-mediated regulation responds mainly to the modification of its N-terminal domain or "tail." Among the different histone modifications, acetylation at specific lysine residues (K) is one of the best characterized, and the acetylation of lysine 16 of histone H4 is the most frequently acetylated residue in eukaryotes. The acetylated form of H4K16 is an important mark of actively transcribed euchromatin from yeast to humans; whereas its non acetylated form is associated with gene silencing and heterochromatin regions. The dynamics of this histone modification is mainly governed by three enzymes: the histone acetyltransferases (HAT) MOF (males absent of the first), and the histone deacetylases (HDAC) SIRT1 and SIRT2. Therefore, both groups of enzymes are essential for the regulation of gene expression and chromatin organization in the nucleus, regulating the transition between transcriptionally active and inactive state of chromatin. SIRT1 and SIRT2 belong to the Class III of HDACs, termed as sirtuins, which are crucial for genomic integrity, adaptation to the environment and aging, among other functions. On one hand, SIRT2 is the only mammalian sirtuin located in the cytoplasm, which is known to shuttle to the nucleus during G2/M. Consistently, this HDAC has its main role in deacetylating H4K16Ac during G2-M. So far, the role of SIRT2 as the main H4K16Ac during mitosis has only been demonstrated by mammalian cell culture experiments or yeast studies. Therefore, for the first time, our study demonstrates the essential role of SIRT2 in regulating H4K16Ac levels during mitosis in vivo. As a matter of fact, our results support the function of SIRT2 in regulating chromatin dynamics by its involvement in the control not only of H4K16Ac levels, but also of H4K20me1-3 levels during the whole cell cycle. Notwithstanding, as happens with other sirtuin members, SIRT2 has also been shown to regulate and deacetylate non-histone substrates that govern cell cycle, stress response, cell survival and genome stability. Furthermore, one of the main roles of SIRT2 consists of modulating cell cycle progression and SIRT2 has been found to regulate diverse mitotic checkpoint proteins such as CDH1, CDC20, BubR1 and p53. Additionally, our results suggest that the chromatin histone patterns generated by SIRT2 during mitosis are essential in the control of cell cycle progression and attend to two complementary mechanisms: the deacetylation of both H4K16Ac and PR-Set7, the monomethyltrasferase of H4K20. We have found that SIRT2 is clearly involved in a mitotic checkpoint and regulate H4K20me1 deposition under stressful conditions, in order to preserve genome integrity. On the other hand, SIRT1 has been mainly involved in regulating heterochomatin formation and gene silencing by deacetylating histone and non-histone substrates. In fact, SIRT1 is involved in the maintenance of genome integrity due to its role in heterochromatin formation by deacetylating histone marks (H3K9Ac and H1K26Ac) and regulating heterochromatin related proteins such as HP1, Suv39h1 and Ezh2. In addition, SIRT1 also deacetylates H4K16Ac, H3K9Ac and H1K26Ac at specific promoters in order to control gene expression; and regulates non-histone proteins such as p53, FoxO factors, and Rb, among others, to specifically modulate the gene expression pattern. Nonetheless, SIRT1 has recently been implicated in cell cycle regulation throughout the control of Mcm10, the eukaryotic DNA initiation factor essential for S-phase progression. Accordingly, our study also demonstrate how SIRT1 may be involved in the regulation of cell cycle progression by modulating the expression of PR-Set7 and Suv4-20h2, the enzymes in charge of mono- and di-methylate H4K20, respectively. Altogether this evidences the role of sirtuins in preserving genome integrity by modulating chromatin dynamics and cell cycle progression from mitosis to S-phase.

La cromatina consiste en una estructura jerárquica y dinámica que se regula durante el ciclo celular con el fin de mantener la integridad del genoma y preservar la información genética codificada en el ADN. Esta estructura dinámica depende de la coordinación de diferentes procesos: modificaciones histónicas, la actividad de enzimas/complejos remodeladores de la cromatina, metilación del ADN y la participación de proteínas estructurales de la cromatina. De entre estos procesos, las modificaciones histónicas tienen lugar en el dominio N-terminal o "cola" de las histonas. Entre las diferentes modificaciones que pueden sufrir, la acetilación de lisinas (K) es una de las mejor caracterizadas, y de entre ellas, la acetilación de la lisina 16 de la histona H4 es la más frecuente en eucariotas. La forma acetilada de H4K16 es una marca importante en eucromatina transcripcionalmente activa que se ha encontrado desde levaduras hasta el ser humano; mientras que su forma no acetilada se asocia con el silenciamiento de genes y regiones de heterocromatina. Esta dinámica de acetilación/desacetilación de este residuo histónico se rige principalmente por tres enzimas: la acetiltransferasa de histonas (HAT) MOF (varones ausentes de la primera), y las deacetilasas de histonas (HDAC) SIRT1 y SIRT2. Por lo tanto, los dos grupos de enzimas son esenciales para la regulación de la expresión de genes y la organización de la cromatina en el núcleo, regulando la transición entre el estado transcripcionalmente activo e inactivo de la cromatina. SIRT1 y SIRT2 pertenecen a la Clase III de las HDACs, denominado como sirtuinas, y son cruciales para el mantenimiento de la integridad genómica, la adaptación al entorno y el envejecimiento, entre otras funciones. Por un lado, SIRT2 es la única sirtuina de mamífero que se encuentra en el citoplasma, pero la cual pasa al núcleo durante G2/M. Como consecuencia, la principal función de esta HDAC es la desacetilación de H4K16Ac durante G2-M. Hasta el momento, el papel de SIRT2 como una de las principales desacetilasas de H4K16Ac durante mitosis sólo se ha demostrado por los experimentos realizados usando células de mamífero en cultivo o levaduras. Por lo tanto, nuestro estudio demuestra por primera vez el papel de SIRT2 en la regulación de los niveles de H4K16Ac en mitosis in vivo. De hecho, nuestros resultados apoyan la función de SIRT2 en la regulación de la cromatina por su participación en el control no sólo de los niveles de H4K16Ac, sino también los de H4K20me durante todo el ciclo celular. No obstante, como sucede con otros miembros de la familia de las sirtuinas, SIRT2 también regula y desacetila sustratos no histónicos que controlan el ciclo celular, la respuesta al estrés, la supervivencia celular y la estabilidad del genoma. Una de las principales funciones de SIRT2 consiste en su participación en el control del ciclo celular, habiéndose descrito diversas proteínas involucradas en el control mitótico que parecen estar reguladas por SIRT2, tales como CDH1, CDC20, BubR1 y p53. Además, nuestros resultados sugieren que los patrones de histonas generados por SIRT2 durante mitosis son esenciales en el control de la progresión del ciclo celular y se deben a dos mecanismos complementarios: la desacetilación tanto de H4K16Ac como de PR-Set7, la enzima encargada de monometilar H4K20. En consonancia, nuestro estudio ha podido demostrar como SIRT2 está claramente implicada en un punto de control de mitosis, y regula la deposición de H4K20me1 en condiciones de estrés, con el fin de preservar la integridad genómica. Por otro lado, SIRT1 ha sido principalmente descrita en la regulación de la formación de heterecromatina y silenciamiento génico por desacetilación de histonas y de sustratos no histónicos. De hecho, SIRT1 participa en el mantenimiento de la integridad del genómica a través de su función en la formación de heterocromatina, desacetilando marcas histonicas (H3K9ac y H1K26Ac) y regulando otras proteínas como HP1, Suv39h1 y Ezh2. Además, SIRT1 también desacetila H4K16Ac, H3K9Ac y H1K26Ac en promotores específicos con el fin de controlar la expresión génica; y regula proteínas no histónicas tales como Suv39h1, p53, factores FoxO, y Rb, entre otros, con el fin de modular específicamente el patrón de expresión. Además, SIRT1 ha sido recientemente implicada en el control del ciclo celular a través de la regulación de Mcm10, el factor eucariota esencial para la iniciación de la replicación del ADN durante la fase-S. Sin embargo, nuestros estudios demuestran cómo SIRT1 puede estar implicada en la regulación del ciclo celular modulando de la expresión de PR-Set7 y Suv4-20h2, las enzimas responsables de mono- y di-metilar H4K20, respectivamente. En conjunto, nuestros resultados evidencian el papel de las sirtuinas en la preservación de la integridad genomica mediante la modulación de la cromatina y de la progresión del ciclo celular desde mitosis a fase-S.