Аминокиселините са основните компоненти на протеините и важни компоненти на човешките тъкани, играещи ролята на клетъчна сигнална трансдукция, регулиране на ензимната активност, имунна функция и други физиологични функции.

Съдържанието на аминокиселини в клетките често се променя при различни физиологични и патологични състояния. Следователно как тялото усеща промяната на нивото на аминокиселините и прави адаптивен отговор е важен научен проблем за метаболитния стрес и клетъчната съдба.

Анормалното усещане за аминокиселини е тясно свързано с рака, диабета, невродегенеративните заболявания и процеса на стареене. Следователно, изследването на молекулярния механизъм на анормална индукция на аминокиселини може да осигури нова цел за превенция или лечение на метаболитни заболявания и рак. Валинът, като основна аминокиселина с разклонена верига, играе важна роля в протеиновия синтез, неврологичното поведение и прогресията на левкемията. Механизмът и функцията на клетъчното усещане на валин обаче остават неясни.

На 20 ноември 2024 г. екипът на Wang Ping от Медицинския факултет на университета Tongji / 10-та свързана народна болница публикува изследователска статия, озаглавена ?Human HDAC6 усеща изобилието на валин, за да регулира увреждането на ДНК“ в списание Nature.

Това проучване идентифицира нов специфичен за валин сензор, човешка деацетилаза HDAC6, и разкрива специфичния механизъм, чрез който рестрикцията на валин води до ядрена транслокация на HDAC6, като по този начин повишава активността на TET2 и предизвиква увреждане на ДНК.

Интересното е, че този сензорен механизъм е уникален за приматите и по-нататъшен анализ на механизма разкри, че примат HDAC6 съдържа специфичен богат на серин глутамат-тетранектиден (SE14) повтарящ се домен и усеща изобилието на валин чрез този домейн. По отношение на лечението на тумора, умереното ограничение на валина или комбинация от инхибитори на PARP може ефективно да инхибира туморния растеж.

Това проучване разкрива нов механизъм, чрез който хранителният стрес регулира увреждането на ДНК чрез епигенетична модификация и предлага нова стратегия за лечение на тумори с ограничена във валин диета, комбинирана с PARP инхибитори.

Сензорите за аминокиселини обикновено трябва да комбинират аминокиселини, за да разпознават и реагират на промените в концентрацията на аминокиселини вътре и извън клетката, така че да изпълняват своята сензорна функция.

За да се идентифицират систематично валин-свързващи протеини, биотинилираните валинови сонди бяха използвани за имунокопреципитатни експерименти, комбинирани с масова спектрометрия, и безпристрастен скрининг на валин-свързващи протеини беше извършен от химическа биология.

Авторите установяват, че в допълнение към известните valyl tRNA синтетази (VARS), деацетилазата HDAC6 показва по-силен D-валин свързващ капацитет в сравнение с VARS. Освен това авторите потвърдиха, че HDAC6 може директно да свързва валин с афинитет Kd ≈ 2μM чрез експерименти за свързване на изотопи, експерименти с калориметрия с изотермично титруване (ITC) и експерименти с термичен дрейф. Анализът на структурните характеристики на аминокиселините, разпознати от сензорните протеини, е полезен за по-нататъшното разбиране на молекулярния механизъм на промяната на изобилието на аминокиселини, предизвикана от клетките. Чрез анализиране на експериментите за свързване на валинови аналози, авторите установиха, че HDAC6 разпознава карбоксилния край и страничната верига на валин и може да толерира аминотерминалната модификация. В допълнение, в HDAC6 нокаут клетки, регулирането на mTOR сигналния път чрез рестрикция на валин не се различава значително от това на контролната група, което предполага, че това свързване е различно от традиционния сигнален път за отчитане на аминокиселини.

За да се проучи важната област и функция на HDAC6, отчитащ валин. Освен това авторите определят, че HDAC6 свързва валин чрез своя SE14 домейн чрез HDAC6 експеримент за свързване на пресечено тяло. Изненадващо, авторите откриха чрез сравнение на хомологията, че домейнът SE14 присъства само в HDAC6 при примати. За разлика от HDAC6 на примат (човек и маймуна), HDAC6 на мишка не се свързва с валин. Това откритие разкрива разликите между различните видове в индукцията на валин, което предполага, че еволюцията на видовете играе важна роля в индукцията на аминокиселини.

Въз основа на заключението, че HDAC6 директно свързва валин чрез своя SE14 домейн, авторите спекулират, че промените в силата на свързване на HDAC6 и валин могат да повлияят на неговата структура и функция, когато изобилието на валин в клетките се промени. Чрез поредица от експерименти и в комбинация с литературата за важната роля на домена SE14 в цитоплазменото задържане на HDAC6, авторите откриха, че вътреклетъчният дефицит на валин може да индуцира транслокация на HDAC6 към ядрото. Активният регион на ензима (DAC1 и DAC2) се свързва с активния регион (CD домен) на ДНК хидроксиметилазата TET2, насърчавайки деацетилирането на TET2 и след това активирайки неговата ензимна активност. Използвайки метиломични техники като WGBS, ACE-Seq и MAB-Seq, ние допълнително потвърдихме, че вътреклетъчното гладуване на валин може да насърчи активно деметилиране на ДНК чрез HDAC6-TET2 сигналната ос. Преди това екипът на Андре Нусенцвайг откри, че зависимата от тимин ДНК гликозилаза (TDG) активна деметилация на ДНК води до едноверижно увреждане на ДНК върху невроналния усилвател. Чрез комбиниране на TET2 ChIP-Seq с високопроизводителна технология за секвениране END-Seq и ddC S1 END-Seq, ние установихме, че дефицитът на валин насърчава увреждане на ДНК. Увреждането на ДНК, предизвикано от дефицит на валин, също зависи от увреждането на единичната верига, причинено от TDG изрязване на оксиметилцитозин (5fC/5caC).

Взети заедно, авторите откриха нови сензори за валин и за първи път изясниха молекулярния механизъм, чрез който валинът ограничава индуцирането на увреждане на ДНК чрез сигналната ос HDAC6-TET2-TDG, добавяйки ново измерение към разбирането на функцията на аминокиселинния стрес при определяне на клетъчната съдба.

Ограничаването на диетата или насочването към метаболизма и усещането на аминокиселините се е превърнало в допълнителна стратегия за удължаване на живота и лечение на много заболявания, включително рак. Като се има предвид, че лишаването от валин може да предизвика увреждане на ДНК, авторите допълнително проучват дали ограничаването на валин играе роля при лечението на рак. При ксенотрансплантатен туморен модел на колоректален рак подходяща диета с ограничен прием на валин (0,41% валин, w/w) значително инхибира растежа на тумора с по-малко странични ефекти. Както в групите за превенция, така и в групите за лечение, авторите допълнително демонстрираха, че диета с ограничен валин инхибира туморогенезата и прогресията, използвайки PDX модел на колоректален рак. В туморни проби понижените нива на валин корелират положително с повишени HDAC6 ядрени транслокации, нива на 5hmC и увреждане на ДНК. Тъй като предизвикването на увреждане на ДНК е противоракова терапия, клинично е възможно да се блокира възстановяването на ДНК чрез използване на PARP инхибитори. Авторите установяват, че комбинацията от диета с ограничен прием на валин и инхибитор на PARP талазопариб значително засилва антитуморния ефект, предоставяйки убедителни доказателства за терапията за лечение на рак чрез индуциране на увреждане на ДНК.

В заключение, проучването установи, че HDAC6 при примати е нов белтък, чувствителен към валин, независим от традиционните сензори, разкриващ разлики в усещането на валин сред различните видове, което показва важната роля на биологичната еволюция в чувствителността на аминокиселините.

В допълнение, това проучване изяснява нов механизъм на интерактивната регулация на хранителния метаболитен стрес, епигенетична регулация и увреждане на ДНК, разширява значението на хранителния метаболитен стрес в биологията на стреса и установява, че комбинацията от диета с ограничен валин и инхибитори на PARP може да се използва като нова стратегия за лечение на рак.