Paper de SirT2 en el control epigenètic de la mitosi

Abstract

La cromatina és una estructura nucleoproteica, dinàmica i jeràrquicament organitzada dins del nucli cel•Iular. La seva estructura, organització i funció està controlada al llarg del cicle cel.lular, per processos epigenètics que produeixen canvis heretables que no afecten la seqüència de DNA. Entre aquests canvis es troben la metilació del DNA, les modificacions postraduccionals de les histones i desplegament de la cromatina orquestrat pels complexes remodeladors i proteïnes estructurals. Les modificacions postraduccionals de les histones es donen principalment de forma dinàmica i regulada a l'extrem N-terminal, canviant la seva càrrega i funció. Entre les diferents modificacions descrites, l'acetilació i la metilació de les histones H3 i H4, semblen tenir una importància especial sobre l'estructura i estat de la cromatina. En particular, l'acetilació de la lisina 16 de la histona H4 (H4K16Ac) per se impedeix la formació d'estructures compactes de cromatina. D'aquesta manera, s'associa l'estat desacetilat d'aquest residu a zones d'heterocromatina i transcripcionalment inactives, mentre que la hiperacetilació d'H4K16 està estretament vinculada a zones eucromàtiques i transcripcionalmentactives. La dinàmica d'acetilació-desacetiIació d' H 4K 16 està controlada principalment per l'equilibri de les activitats acetiltransferasa de MOF i desacetilasa de Si rT1 i Si rT2. Per tant, aquests dos grups d'enzims són essencials per el control de l'expressió gènica i de l'arquitectura de la cromatina dins del nucli, regulant la transició entre l'estat transcripcionalment actiu i inactiu de la cromatina. MOF és crucial per el desenvolupament embrionari , I a reparació del DNA i la progressió del cicle cel .lular, i la seva pèrdua està associada a l'augment de les aberracions cromosòmiques, a l'aturada del cicle cel.lular en G2/M i a l'augment de la inestabilitat genòmica. SirT1 i Si rT2 pertanyen a la classe III de desacetilases d'histones (HDACs), conegudes com sirtuïnes, i són crucials per el manteniment de la integritat genòmica, l'adaptació a l'entorn i l'envelliment, entre altres funcions. No obstant, dels set membres de sirtuïnes presents a mamífers, només Si rT2 i en menor mesura SirT1, han estat vinculades amb el control del cicle cel.lular. Concretament, Si rT2, tot i ser principalment citoplasmàtica, és transportada al nucli durant I a transició G2/M , moment en el que a través de la desacetilació d'H4K16 permet la monometilació d'H4K20 per PR-SET7 (la monometiI transferasa d'H4K20), determinant els nivells d'H4K2Ome2,3 en la resta del cicle cel.lular. Com a conseqüència, SirT2 està implicat en processos estrictament associat a aquestes modificacions, com la compactació dels cromosomes metafàsics, Ia progressió a través de mitosi, la replicació i reparació del DNA o la formació de l'heterocromatina. Fins al moment el paper de Si rT2 en el control de I a progressió a través de la mitosi ha estat atribuït a la regulació de diferents substrats. En particular, el control d'H4K2Ome1 dependent de SirT2 ha estat relacionat amb l'activació del checkpoint de G2/M en resposta a estrès, tot i que els mecanismes involucrats en l'aturada del cicle cel.lular eren del tot desconeguts. En aquest treball hem volgut indagar sobre com Si rT2 regula la transició G2/M i la seva coordinació amb la maquinària regulatória del checkpoint. Les nostres dades semblen indicar que SirT2 condueix a l'activació del checkpoint de G2/M a través de la regulació d' H4K 1 6Ac, H4K2Ome1 i el control de I a transcripció de gens relacionats amb el cicle cel.lular. Es descriu per primera vegada, com SirT2 controla H4K16Ac a través de la regulació de l'activitat i de l'estabilitat proteica de MOF durant G2/M. Concretament, SirT2 desacetila MOF durant G2/M i en promou la sortida de la cromatina, la inactivació i degradació, afavorint l'estat desacetilat d'H4K16 i la monometilació d'H4K20. En concordança, hem vist que MOF controla negativament la presència de PR-SET7 a la cromatina, mantenint així uns nivells adequats d'H4K2Omel abans d'entrar a mitosi i evitant la condensació prematura dels cromosomes. El nostre estudi suggereix que la interconnexió entre SirT2 i MOF està directament implicada en el control epigenètic del cicle cel.lular, contribuint al manteniment de l'estabilitat genòmica.

Chromatin is a dynamical structure hierarchically organized to fit inside the nucleus. The structure, organization and function of chromatin are tightly controlled throughout the cell cycle by different epigenetic mechanisms, including DNA methylation and histone modifications. The histone post-translational modifications occur mainly in their N-terminal tail, and give rise to changes in the charge and function of the protein. Among the different histone modifications, lysine acetylation (K) is one of the best characterized. Acetylation of lysine 16 of histone H4 is the most frequently acetylated residue in eukaryotes and is a key regulator of high orders of chromatin structure. Thus, the deacetylated state of this residue is associated with heterochromatic and transcriptional inactive regions, whereas the acetylated form is found in euchromatic and transcriptional active regions. The dynamics of this histone mark is mainly governed by the acetyltransferase MOF and the NAD±-dependent deacetylases SirT1 and SirT2, which makes both groups of enzymes essential for the regulation of the gene expression and the control of chromatin organization. MOF is crucial in embryogenesis, DNA repair and the cell cycle progression. In fact, loss of MOF has been shown to induce cell cycle arrest during G2/M transition, increased chromosomal aberrations and genome instability. SirT 1 and SirT2 belong to Class III of histone deacetylases (HDACs), commonly referred as sirtuins. They play a key role in stress response, and in particular in protecting genome integrity. Among the seven mammalian sirtuins (SirT1-7), only SirT2 and to a lesser extend SirT1, have been linked with cell cycle regulation. In particular, SirT2, which mainly localizes to the cytoplasm during most of the cell cycle, shuttles to the nucleus in G2/M transition, where deacetylates H4K16Ac driving, among other things, H4K2Omel deposition by the histone methyltransferase PR-SETT. The control of H4K2Omel deposition determines the levels of H4K2Ome2,3 in the next cell cycle, which links SirT2 to the regulation of DNA replication and repair, as well as heterochromatin formation. Work from our group and others have shown that SirT2 plays a role in the control of mitosis progression. In particular, SirT2 is required for the cell cycle arrest in the G2/M checkpoint during stress response, process that has been related to SirT2-dependent regulation of H4K2Omel. However, the mechanisms behind the cell cycle arrest are still undefined. In the present work we aimed to elucidate the function of SirT2 in G2/M transition and its coordination with the checkpoint regulatory machinery. Our results seem indicate that SirT2 drives the G2/M checkpoint activation through the regulation of H4K16Ac, H4K2Omel and the control of the expression of cell cycle related genes. We also describe for the first time, a complementary mechanism whereby SirT2 regulates the levels of H4K16Ac during mitosis. We observe that SirT2 not only deacetylates MOF during G2/M, suppressing its acetyltransferase activity, but also induces both chromatin eviction and degradation of MOF. This in turn, results in H4K16 hypoacetylation and subsequent monomethylation of H4K20. Additionally, we show that MOF inhibits PR-SETT chromatin localization, maintaining the appropriate levels of H4K2Omel before entering mitosis and avoiding premature chromosome condensation. Our study suggests that the crosstalk between MOF and SirT2 is directly involved in the epigenetic control of the cell cycle, contributing to the maintenance of genome stability.