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.

The sirtuin family of regulatory proteins has been implicated in various biological pathways including responses to calorie restriction and metabolic stress. Work in mice now shows that sirtuin 3 (SIRT3), which mediates deacetylation of several mitochondrial proteins, is induced in liver and brown adipose tissue during fasting. One of SIRT3's substrates is shown to be long-chain acyl co-enzyme A dehydrogenase (LCAD). Without SIRT3, LCAD becomes hyperacetylated, which diminishes its activity, and reduces fatty acid oxidation. Mice without SIRT3 have all the hallmarks of fatty acid oxidation disorders during fasting, including reduced ATP levels and intolerance to cold. These findings suggest that acetylation is a novel regulatory mechanism for fatty acid oxidation. During fasting SIRT3 is induced in liver and brown adipose tissue. One of SIRT3's substrates is shown to be long–chain acyl co-enzyme A dehydrogenase (LCAD). Without SIRT3 LCAD becomes hyperacetylated, which diminishes its activity, and reduces fatty acid oxidation. Mice without SIRT3 have all the hallmarks of fatty acid oxidation disorders during fasting, including reduced ATP levels and intolerance to cold. Thus, acetylation is a novel regulatory mechanism for fatty acid oxidation. Sirtuins are NAD+-dependent protein deacetylases. They mediate adaptive responses to a variety of stresses, including calorie restriction and metabolic stress. Sirtuin 3 (SIRT3) is localized in the mitochondrial matrix, where it regulates the acetylation levels of metabolic enzymes, including acetyl coenzyme A synthetase 2 (refs 1, 2). Mice lacking both Sirt3 alleles appear phenotypically normal under basal conditions, but show marked hyperacetylation of several mitochondrial proteins3. Here we report that SIRT3 expression is upregulated during fasting in liver and brown adipose tissues. During fasting, livers from mice lacking SIRT3 had higher levels of fatty-acid oxidation intermediate products and triglycerides, associated with decreased levels of fatty-acid oxidation, compared to livers from wild-type mice. Mass spectrometry of mitochondrial proteins shows that long-chain acyl coenzyme A dehydrogenase (LCAD) is hyperacetylated at lysine 42 in the absence of SIRT3. LCAD is deacetylated in wild-type mice under fasted conditions and by SIRT3 in vitro and in vivo; and hyperacetylation of LCAD reduces its enzymatic activity. Mice lacking SIRT3 exhibit hallmarks of fatty-acid oxidation disorders during fasting, including reduced ATP levels and intolerance to cold exposure. These findings identify acetylation as a novel regulatory mechanism for mitochondrial fatty-acid oxidation and demonstrate that SIRT3 modulates mitochondrial intermediary metabolism and fatty-acid use during fasting.

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.

We describe a transgenic mouse line carrying the cre transgene under the control of the adenovirus EIIa promoter that targets expression of the Cre recombinase to the early mouse embryo. To assess the ability of this recombinase to excise loxP-flanked DNA sequences at early stages of development, we bred EIIa-cre transgenic mice to two different mouse lines carrying loxP-flanked target sequences: (i) a strain with a single gene-targeted neomycin resistance gene flanked by 1oxP sites and (ii) a transgenic line carrying multiple transgene copies with internal loxP sites. Mating either of these loxP-carrying mouse lines to EIIa-cre mice resulted in first generation progeny in which the loxP-flanked sequences had been efficiently deleted from all tissues tested, including the germ cells. Interbreeding of these first generation progeny resulted in efficient germ-line transmission of the deletion to subsequent generations. These results demonstrate a method by which loxP-flanked DNA sequences can be efficiently deleted in the early mouse embryo. Potential applications of this approach are discussed, including reduction of multicopy transgene loci to produce single-copy transgenic lines and introduction of a variety of subtle mutations into the line.

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.