The role of Sirt7 and Sirt1 in adipocyte differentiation and maintenance of metabolic homeostasis

Abstract

Sirtuins are NAD+-dependent protein deacetylases or ADP-ribosyltransferases, which play decisive roles in chromatin silencing, cell cycle regulation, cellular differentiation, metabolism, stress resistance and tumorigenesis. In mammals, sirtuins emerged as key metabolic sensors in various tissues and play a prominent role in metabolic adaptation to energy/nutrient stress. Sirt1 and Sirt6 are believed to act synergistically to prevent liver steatosis, especially under high-fat diet. Sirt1 and Sirt2 inhibit adipogenesis, and Sirt1 promotes the brown remodeling of white adipose tissue to control the metabolic balance in adipose tissue. Sirt7 was postulated to regulate rDNA transcription by associating with RNA polymerase I (Pol I) and maintain oncogenic transformation through deacetylation of histone H3K18, but the role of Sirt7 in metabolic regulation has remained enigmatic. Here, using the Sirt7 knockout mice and Sirt7 knock down approaches, my results describe the role of Sirt7 in maintenance of metabolic homeostasis in liver and the adipocytes differentiation in white adipose tissue. In liver, Sirt7 is required for the stimulation of hepatic rDNA transcription in response to insulin and is necessary for the fasting/refeeding adaptation. The second part of the study demonstrates the essential role of Sirt7 in adipocytes differentiation and white adipose tissue homeostasis. Absence of Sirt7 resulted in increased protein accumulation and activity of Sirt1 and restricted formation of white adipose tissue. In addition, my thesis shows that Sirt7 interacts with Sirt1 and restricts Sirt1 activity by inhibition of Sirt1 auto-deacetylation. These data uncover a new level of complexity in regulation of sirtuin activity and identify autocatalytic posttranscriptional modification as a new principle for regulation of Sirt1 activity. The antagonistic interactions between the two nuclear sirtuins are crucial to establish a well-balanced signalling network required for the maintenance of metabolic homeostasis. In the last part of this thesis, two Sirt1 targeting mouse strains were generated, which allow conditional, tissue specific inactivation of the Sirt1 gene and double knock out Sirt1 and Sirt7 in mice. These mouse models will help to further evaluate the sirtuin functions and the cross-regulatory network between Sirt1 and Sirt7 in the whole body or in the individual tissues. Sirtuine sind NAD+-abhängige Protein Deacetylasen und/oder ADP-Ribosyltransferasen, die entscheidende Rollen in einer Vielzahl von Prozessen spielen. Dazu gehören: Zellzyklusregulation, Differenzierung, metabolische Regulation, Stressresistenz sowie Tumorentstehung und Chromatin-Remodellierung. In Säugetieren nehmen Sirtuine eine Schlüsselrolle als metabolische Sensoren ein und regulieren die Adaptation auf Energie- und Nährstoffveränderungen. Synergistische Funktionen wurden für Sirt1 und Sirt6 in der Leber beschrieben. Beide Sirtuine wirken der Entwicklung von Lebersteatose, insbesondere bei fettreicher Ernährung, entgegen. Bei der Differenzierung von weißem Fettgewebe (Adipogenese) wurde eine hemmende Wirkung von Sirt1 und Sirt2 beobachtet. Des Weiteren, fördert Sirt1 die Entstehung von braunem Fettgewebe aus weißem Fett und kontrolliert somit die metabolische Balance im Fettgewebe. Für Sirt7 wurde bislang eine Funktion in der Regulation der rDNA Transkription durch die Interaktion mit der RNA-Polymerase I postuliert, eine Rolle in der Regulation metabolischer Prozesse konnte bis jetzt aber noch nicht nachgewiesen werden. In meiner Arbeit konnte ich mittels der Sirt7 Knock Out Maus bzw. verschiedener Sirt7 Knock Down Versuche belegen, dass Sirt7 eine Rolle in der Aufrechterhaltung der metabolischen Homöostase in der Leber und in der Differenzierung von Adipozyten in weißem Fettgewebe spielt. In der Leber ist Sirt7 für die Anregung der rDNA Transkription als Antwort auf eine Stimulation durch Insulin notwendig. Zudem konnte belegt werden, dass Sirt7 für eine Anpassung an Hungerphasen und anschließender Nahrungsaufnahme erforderlich ist. Im zweiten Teil meiner Arbeit konnte ich zeigen, dass die Funktion von Sirt7 in der Differenzierung von Adipozyten und in der Homöostase des weißen Fettgewebes essentiell ist. Hier resultiert der Verlust von Sirt7 in einer vermehrten Proteinakkumulation und einer erhöhten Aktivität von Sirt1, die der Fettgewebsentstehung entgegen wirkt. Hier konnte durch meine Arbeit eine Interaktion zwischen Sirt7 und Sirt1 belegt werden, welche mit einem Aktivitätsverlust von Sirt1 durch Inhibierung dessen Auto-Deacetylasefunktion einhergeht. Diese Ergebnisse decken eine neue Stufe der Komplexität der Aktivitätsanpassung der Sirtuine auf und identifizieren eine posttranskriptionelle Modifizierung als einen neuen Weg der Sirt1 Regulation durch dessen autokatalytische Aktivität. Die antagonistische Interaktion zwischen diesen zwei nukleären Sirtuinen ist entscheidend um eine ausgewogene Verknüpfung einzelner Signalwege herzustellen, die für die Aufrechterhaltung der metabolischen Homöostase notwendig sind. Im letzten Teil meiner Arbeit wurden zwei konditionelle Sirt1 Knock Out Mausstämme generiert, welche einerseits eine gewebsspezifische Inaktivierung von Sirt1 und zum anderen die gleichzeitige Ausschaltung von Sirt1 und Sirt7 in Mäusen erlauben. Die entstandenen Mausmodelle können helfen, die Funktionen von Sirt1 und Sirt7 und deren gegenseitige Beeinflussung im gesamten Organismus oder speziell in einzelnen Organen genauer zu untersuchen.