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Identification of novel sirtuin inhibitors and activators

Hoffmann, Gesine

Sirtuins (SirT1-7) are the human homologues of the NAD+-dependent histone deacetylase Sir2 from Saccharomyces cerevisiae (ySir2). Since the overexpression of Sir2 in yeast increases lifespan, the study of mammalian sirtuins has gained widespread interest. Each sirtuin is characterized by a conserved 275 amino-acid catalytic core domain as well as by unique additional N-terminal and/or C-terminal sequences of variable length. Sirtuins hold promise as potential drug targets for the treatment of a variety of conditions, including cancer, metabolic diseases, diabetes and aging. Although, a number of sirtuin inhibitors as well as activators are known, the inhibitory mechanism of sirtuins is still unknown. In this study, we sought to identify novel inhibitors of SirT1, and we assessed their in vivo potential as chemotherapeutic agents. For this purpose, we established a fluorescence-based deacetylation assay using methyl-aminocoumarin-acetyllysine (MAL) as a substrate that is suitable for high-throughput screening. Two compound libraries (500 and 18.000 compounds, respectively) were screened for SirT1-modulating activities, and we identified 14 potential inhibitors and 12 potential activators of SirT1. Of the inhibitors, 9 showed inhibition of SirT1-dependent deacetylation of an acetylated p53 peptide. Interestingly, two of them also inhibited SirT2. Both SirT2 inhibitors were also able to inhibit the p53 deacetylation with IC50 values comparable to those determined in the MAL deacetylation assay. Moreover, we observed that the first 220 amino acids of the N-terminal region of SirT1 had an influence on the inhibitory effect of one inhibitor identified here. The potential activators failed to enhance the activity of SirT1 to deacetylate the p53 peptide. Surprisingly, one of them showed strong inhibition of SirT1 in this assay (Hill 2012) as well as inhibition of MAL deacetylation by ySir2 and SirT2. Subsequently, we determined the anticancer potential of the inhibitors identified in this study by different in vivo experiments with the lung cancer cell lines A549 and H1299. Three compounds that inhibited cell viability and proliferation of these cancer cells in a dose-dependent manner were pursued in more detail. These three inhibitors induced an additional increase of apoptosis after combined treatment with the chemotherapeutic agent etoposide. We observed that the additional increase of apoptosis mediated by one of theses inhibitors was p53-dependent. In summary, this study has led us to identify one SirT1 inhibitor as well as two SirT2 inhibitors that showed antiproliferation potential and can be developed further for cancer therapy.

Sirtuine (SirT1-SirT7) sind die human Homologe der NAD+-abhängigen Histondeacetylase Sir2 aus der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae. Seit der Beobachtung, dass die Überexprimierung von Sir2 in Hefen einen lebensverlängernden Einfluss hat, ist das Interesse an der Erforschung der Sirtuine enorm gewachsen. Jedes Sirtuin besitzt eine konservierte katalytische Domäne von etwa 275 Aminosäuren, sowie N-terminale und/oder C-terminale Sequenzen, die sich in ihrer Länge unterscheiden. Sirtuine sind vielversprechende Ansatzpunkte für die Behandlung zahlreicher Krankheiten, wie zum Beispiel Krebs, Stoffwechselkrankheiten, Diabetes und Alterung. Obwohl bereits einige Sirtuin-Inhibitoren und -Aktivatoren bekannt sind, ist der Mechanismus der Inhibition ungeklärt. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, neue Sirtuin-Inhibitoren zu identifizieren und deren in vivo Potential als Chemotherapeutika zu untersuchen. Dazu wurde ein fluoreszenz-basierter Assay etabliert, bei dem ein Methyl-Aminocoumarin-Acetyllysine (MAL) als Substrat verwendet wurde, der für High-throughput Screening geeignet ist. Für die Identifizierung von SirT1-Modulatoren wurden zwei Bibliotheken (500 und 18.000 Substanzen) gescreent, wobei 14 potentielle Inhibitoren, sowie 12 potentielle Aktivatoren identifiziert wurden. Von diesen Inhibitoren zeigten 9 auch Inhibition von SirT1-abhängiger Deacetylierung eines acetylierten p53-Peptids. Des weiteren konnten zwei dieser Substanzen auch SirT2 inhibieren. Beide SirT2 Inhibitoren waren auch in der Lage, die p53 Deacetylierung zu inhibieren. Weiterhin haben wir beobachtet, dass die ersten 220 Aminosäuren der N-terminalen Region von SirT1 einen Einfluss auf die Wirkung eines Inhibitors, der in dieser Arbeit identifiziert wurde, haben. Die potentiellen Aktivatoren zeigten keine Steigerung der SirT1 Aktivität bei der Deacetylierung des p53-Peptids. Erstaunlicherweise zeigte einer von ihnen starke Inhibition von SirT1 im p53 Deacetylierungs Assay (Hill 2012), sowie des ySir2 aus S. cerevisiae und von SirT2 mit MAL als Substrat. Im weiteren wurde das Potential der identifizierten Inhibitoren als Zytostatika mit unterschiedlichen in vivo Experimenten unter Verwendung der Lungenkrebszelllinien A549 und H1299 untersucht. Drei von ihnen, die der Lage waren, die Zellvitalität sowie die Zellteilung dosisabhängigen zu inhibieren wurden weiter untersucht. Interessanterweise verursachten sie einen zusätzlichen Anstieg der Apoptose nach kombinierter Behandlung mit dem Chemotherapeutikum Etoposide. Wir konnten zeigen, dass dieser Inhibitor-induzierte zusätzliche Anstieg der Apoptose zum Teil p53 abhängig war. Somit haben wir insgesamt einen SirT1-Inhibitor und zwei SirT2-Inhibitoren identifiziert, die ein Antiproliferationspotential aufweisen und für Krebstherapien weiterentwickelt werden können.

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Hoffmann, Gesine: Identification of novel sirtuin inhibitors and activators. 2015.

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