The Sir2 deacetylase modulates organismal life-span in various species. However, the molecular mechanisms by which Sir2 increases longevity are largely unknown. We show that in mammalian cells, the Sir2 homolog SIRT1 appears to control the cellular response to stress by regulating the FOXO family of Forkhead transcription factors, a family of proteins that function as sensors of the insulin signaling pathway and as regulators of organismal longevity. SIRT1 and the FOXO transcription factor FOXO3 formed a complex in cells in response to oxidative stress, and SIRT1 deacetylated FOXO3 in vitro and within cells. SIRT1 had a dual effect on FOXO3 function: SIRT1 increased FOXO3's ability to induce cell cycle arrest and resistance to oxidative stress but inhibited FOXO3's ability to induce cell death. Thus, one way in which members of the Sir2 family of proteins may increase organismal longevity is by tipping FOXO-dependent responses away from apoptosis and toward stress resistance.

Summary

 The Sir2 histone deacetylase functions as a chromatin silencer to regulate recombination, genomic stability, and aging in budding yeast. Seven mammalian Sir2 homologs have been identified (SIRT1–SIRT7), and it has been speculated that some may have similar functions to Sir2. Here, we demonstrate that SIRT6 is a nuclear, chromatin-associated protein that promotes resistance to DNA damage and suppresses genomic instability in mouse cells, in association with a role in base excision repair (BER). SIRT6-deficient mice are small and at 2–3 weeks of age develop abnormalities that include profound lymphopenia, loss of subcutaneous fat, lordokyphosis, and severe metabolic defects, eventually dying at about 4 weeks. We conclude that one function of SIRT6 is to promote normal DNA repair, and that SIRT6 loss leads to abnormalities in mice that overlap with aging-associated degenerative processes.

We demonstrate a role for the NAD-dependent deacetylase Sirt1 in the regulation of autophagy. In particular, transient increased expression of Sirt1 is sufficient to stimulate basal rates of autophagy. In addition, we show that Sirt1 −/− mouse embryonic fibroblasts do not fully activate autophagy under starved conditions. Reconstitution with wild-type but not a deacetylase-inactive mutant of Sirt1 restores autophagy in these cells. We further demonstrate that Sirt1 can form a molecular complex with several essential components of the autophagy machinery, including autophagy genes (Atg)5, Atg7, and Atg8. In vitro , Sirt1 can, in an NAD-dependent fashion, directly deacetylate these components. The absence of Sirt1 leads to markedly elevated acetylation of proteins known to be required for autophagy in both cultured cells and in embryonic and neonatal tissues. Finally, we show that Sirt1 −/− mice partially resemble Atg5 −/− mice, including the accumulation of damaged organelles, disruption of energy homeostasis, and early perinatal mortality. Furthermore, the in utero delivery of the metabolic substrate pyruvate extends the survival of Sirt1 −/− pups. These results suggest that the Sirt1 deacetylase is an important in vivo regulator of autophagy and provide a link between sirtuin function and the overall cellular response to limited nutrients.

The mammalian circadian timing system is composed of a central pacemaker in the suprachiasmatic nucleus of the brain that synchronizes countless subsidiary oscillators in peripheral tissues. The rhythm-generating mechanism is thought to rely on a feedback loop involving positively and negatively acting transcription factors. BMAL1 and CLOCK activate the expression of Period (Per) and Cryptochrome (Cry) genes, and once PER and CRY proteins accumulate to a critical level they form complexes with BMAL1-CLOCK heterodimers and thereby repress the transcription of their own genes. Here, we show that SIRT1, an NAD(+)-dependent protein deacetylase, is required for high-magnitude circadian transcription of several core clock genes, including Bmal1, Rorgamma, Per2, and Cry1. SIRT1 binds CLOCK-BMAL1 in a circadian manner and promotes the deacetylation and degradation of PER2. Given the NAD(+) dependence of SIRT1 deacetylase activity, it is likely that SIRT1 connects cellular metabolism to the circadian core clockwork circuitry.

Homologs of the Saccharomyces cerevisiae Sir2 protein, sirtuins, promote longevity in many organisms. Studies of the sirtuin SIRT3 have so far been limited to cell culture systems. Here, we investigate the localization and function of SIRT3 in vivo. We show that endogenous mouse SIRT3 is a soluble mitochondrial protein. To address the function and relevance of SIRT3 in the regulation of energy metabolism, we generated and phenotypically characterized SIRT3 knockout mice. SIRT3-deficient animals exhibit striking mitochondrial protein hyperacetylation, suggesting that SIRT3 is a major mitochondrial deacetylase. In contrast, no mitochondrial hyperacetylation was detectable in mice lacking the two other mitochondrial sirtuins, SIRT4 and SIRT5. Surprisingly, despite this biochemical phenotype, SIRT3-deficient mice are metabolically unremarkable under basal conditions and show normal adaptive thermogenesis, a process previously suggested to involve SIRT3. Overall, our results extend the recent finding of lysine acetylation of mitochondrial proteins and demonstrate that SIRT3 has evolved to control reversible lysine acetylation in this organelle.

Sir2 is an NAD-dependent deacetylase that connects metabolism with longevity in yeast, flies, and worms. Mammals have seven Sir2 homologs (SIRT1–7). We show that SIRT4 is a mitochondrial enzyme that uses NAD to ADP-ribosylate and downregulate glutamate dehydrogenase (GDH) activity. GDH is known to promote the metabolism of glutamate and glutamine, generating ATP, which promotes insulin secretion. Loss of SIRT4 in insulinoma cells activates GDH, thereby upregulating amino acid-stimulated insulin secretion. A similar effect is observed in pancreatic β cells from mice deficient in SIRT4 or on the dietary regimen of calorie restriction (CR). Furthermore, GDH from SIRT4-deficient or CR mice is insensitive to phosphodiesterase, an enzyme that cleaves ADP-ribose, suggesting the absence of ADP-ribosylation. These results indicate that SIRT4 functions in β cell mitochondria to repress the activity of GDH by ADP-ribosylation, thereby downregulating insulin secretion in response to amino acids, effects that are alleviated during CR.

SIRT1 is a mammalian homolog of the Saccharomyces cerevisiae chromatin silencing factor Sir2. Dominant-negative and overexpression studies have implicated a role for SIRT1 in deacetylating the p53 tumor suppressor protein to dampen apoptotic and cellular senescence pathways. To elucidate SIRT1 function in normal cells, we used gene-targeted mutation to generate mice that express either a mutant SIRT1 protein that lacks part of the catalytic domain or has no detectable SIRT1 protein at all. Both types of SIRT1 mutant mice and cells had essentially the same phenotypes. SIRT1 mutant mice were small, and exhibited notable developmental defects of the retina and heart, and only infrequently survived postnatally. Moreover, SIRT1-deficient cells exhibited p53 hyperacetylation after DNA damage and increased ionizing radiation-induced thymocyte apoptosis. In SIRT1-deficient embryonic fibroblasts, however, p53 hyperacetylation after DNA damage was not accompanied by increased p21 protein induction or DNA damage sensitivity. Together, our observations provide direct evidence that endogenous SIRT1 protein regulates p53 acetylation and p53-dependent apoptosis, and show that the function of this enzyme is required for specific developmental processes.

SIRT6 is a member of a highly conserved family of NAD+-dependent deacetylases with various roles in metabolism, stress resistance, and life span. SIRT6-deficient mice develop normally but succumb to a lethal hypoglycemia early in life; however, the mechanism underlying this hypoglycemia remained unclear. Here, we demonstrate that SIRT6 functions as a histone H3K9 deacetylase to control the expression of multiple glycolytic genes. Specifically, SIRT6 appears to function as a corepressor of the transcription factor Hif1α, a critical regulator of nutrient stress responses. Consistent with this notion, SIRT6-deficient cells exhibit increased Hif1α activity and show increased glucose uptake with upregulation of glycolysis and diminished mitochondrial respiration. Our studies uncover a role for the chromatin factor SIRT6 as a master regulator of glucose homeostasis and may provide the basis for novel therapeutic approaches against metabolic diseases, such as diabetes and obesity.

Summary

 Genomic instability and alterations in gene expression are hallmarks of eukaryotic aging. The yeast histone deacetylase Sir2 silences transcription and stabilizes repetitive DNA, but during aging or in response to a DNA break, the Sir complex relocalizes to sites of genomic instability, resulting in the desilencing of genes that cause sterility, a characteristic of yeast aging. Using embryonic stem cells, we show that mammalian Sir2, SIRT1, represses repetitive DNA and a functionally diverse set of genes across the mouse genome. In response to DNA damage, SIRT1 dissociates from these loci and relocalizes to DNA breaks to promote repair, resulting in transcriptional changes that parallel those in the aging mouse brain. Increased SIRT1 expression promotes survival in a mouse model of genomic instability and suppresses age-dependent transcriptional changes. Thus, DNA damage-induced redistribution of SIRT1 and other chromatin-modifying proteins may be a conserved mechanism of aging in eukaryotes.

The sirtuin family of enzymes are known as NAD-dependent deacetylases, although some of them have very weak deacetylase activity; here human SIRT6, an enzyme important for DNA repair and transcription, is shown to remove long-chain fatty acyl groups from protein lysine residues, and to have a function in promoting tumour necrosis factor alpha secretion. Enzymes of the sirtuin family attract a lot of interest because of they regulate ageing, transcription, apoptosis and metabolism. They are often described as NAD-dependent deacetylases, but in fact some of them have only very weak deacetylase activity in vitro and two were shown previously to preferentially use alternative substrates. Here, human SIRT6, an enzyme important for DNA repair and transcription, is shown to remove long-chain fatty acyl groups, such as myristoyl, from lysine residues and to have a function in promoting TNF-α secretion. Its previously described histone deacetylase activity may account for only part of its function. The identification of SIRT6's new activity points to protein lysine fatty acylation as a potentially important area for study. The Sir2 family of enzymes or sirtuins are known as nicotinamide adenine dinucleotide (NAD)-dependent deacetylases1 and have been implicated in the regulation of transcription, genome stability, metabolism and lifespan2,3. However, four of the seven mammalian sirtuins have very weak deacetylase activity in vitro. Here we show that human SIRT6 efficiently removes long-chain fatty acyl groups, such as myristoyl, from lysine residues. The crystal structure of SIRT6 reveals a large hydrophobic pocket that can accommodate long-chain fatty acyl groups. We demonstrate further that SIRT6 promotes the secretion of tumour necrosis factor-α (TNF-α) by removing the fatty acyl modification on K19 and K20 of TNF-α. Protein lysine fatty acylation has been known to occur in mammalian cells, but the function and regulatory mechanisms of this modification were unknown. Our data indicate that protein lysine fatty acylation is a novel mechanism that regulates protein secretion. The discovery of SIRT6 as an enzyme that controls protein lysine fatty acylation provides new opportunities to investigate the physiological function of a protein post-translational modification that has been little studied until now.