Els aminoàcids són els components bàsics de les prote?nes i components importants dels teixits humans, i tenen un paper en la transducció del senyal cel·lular, la regulació de l'activitat enzimàtica, la funció immunitària i altres funcions fisiològiques.

L'abundància d'aminoàcids a les cèl·lules sovint canvia en diferents estats fisiològics i patològics. Per tant, la manera com el cos detecta el canvi de nivell d'aminoàcids i fa una resposta adaptativa és un problema científic important de l'estrès metabòl(fā)ic i el destí cel·lular.

La detecció anormal d'aminoàcids està estretament relacionada amb el càncer, la diabetis, les malalties neurodegeneratives i el procés d'envelliment. Per tant, explorar el mecanisme molecular de la inducció anormal d'aminoàcids podria proporcionar una nova diana per a la prevenció o el tractament de malalties metabòl(fā)iques i càncer. La valina, com a aminoàcid essencial de cadena ramificada, juga un paper important en la síntesi de prote?nes, el neurocomportament i la progressió de la leucèmia. Tanmateix, el mecanisme i la funció de la detecció cel·lular de la valina encara no estan clars.

El 20 de novembre de 2024, l'equip de Wang Ping de la Facultat de Medicina de la Universitat de Tongji / 10th Affiliated People's Hospital va publicar un article de recerca titulat "Human HDAC6 senses valine abundancy to regulate DNA damage" a la revista Nature.

Aquest estudi va identificar un nou sensor específic de valina, la desacetilasa humana HDAC6, i va revelar el mecanisme específic pel qual la restricció de valina condueix a la translocació nuclear de HDAC6, augmentant així l'activitat de TET2 i induint danys a l'ADN.

Curiosament, aquest mecanisme de detecció és exclusiu dels primats, i una anàlisi posterior del mecanisme va revelar que l'HDAC6 del primat conté un domini de repetició específic de glutamat-tetranèctida (SE14) ric en serina i detecta l'abundància de valina a través d'aquest domini. Pel que fa al tractament del tumor, una restricció moderada de valina o una combinació d'inhibidors de PARP poden inhibir efica?ment el creixement del tumor.

Aquest estudi revela un nou mecanisme pel qual l'estrès nutricional regula el dany a l'ADN mitjan?ant la modificació epigenètica, i proposa una nova estratègia per al tractament de tumors amb una dieta restringida en valina combinada amb inhibidors de PARP.

Els sensors d'aminoàcids normalment necessiten combinar aminoàcids per reconèixer i respondre als canvis en la concentració d'aminoàcids dins i fora de la cèl·lula, per tal de dur a terme la seva funció de detecció.

Per tal d'identificar sistemàticament les prote?nes que s'uneixen a la valina, es van utilitzar sondes de valina biotinilades per a experiments d'immunocoprecipitat combinades amb espectrometria de masses, i es va realitzar un cribratge imparcial de les prote?nes que s'uneixen a la valina mitjan?ant biologia química.

Els autors van descobrir que, a més de les valil tRNA sintetases (VARS) conegudes, la desacetilasa HDAC6 mostrava una capacitat d'unió a D-valina més forta en comparació amb la VARS. Els autors van confirmar a més que l'HDAC6 pot unir-se directament a la valina amb una afinitat de Kd ≈ 2 μM mitjan?ant experiments d'unió d'isòtops, experiments de calorimetria de titració isotèrmica (ITC) i experiments de deriva tèrmica. L'anàlisi de les característiques estructurals dels aminoàcids reconeguts per les prote?nes sensores és útil per comprendre millor el mecanisme molecular del canvi d'abundància d'aminoàcids indu?t per les cèl·lules. En analitzar els experiments d'unió d'anàlegs de valina, els autors van descobrir que l'HDAC6 reconeix el terminal carboxil i la cadena lateral de la valina i pot tolerar la modificació del terminal amino. A més, en cèl·lules amb HDAC6 knockout, la regulació de la via de senyalització mTOR mitjan?ant la restricció de valina no va ser significativament diferent de la del grup de control, cosa que suggereix que aquesta unió era diferent de la via de senyalització sensora d'aminoàcids tradicional.

Per tal d'explorar el domini i la funció importants de la detecció de valina de HDAC6, els autors van determinar a més que HDAC6 s'uneix a la valina a través del seu domini SE14 mitjan?ant l'experiment d'unió a cossos truncats de HDAC6. Sorprenentment, els autors van trobar per comparació d'homologia que el domini SE14 només és present a HDAC6 en primats. A diferència de HDAC6 de primats (humans i micos), HDAC6 de ratolí no s'uneix a la valina. Aquesta troballa revela les diferències entre diferents espècies en la inducció de valina, cosa que suggereix que l'evolució de les espècies juga un paper important en la inducció d'aminoàcids.

Basant-se en la conclusió que l'HDAC6 s'uneix directament a la valina a través del seu domini SE14, els autors van especular que els canvis en la for?a d'unió de l'HDAC6 i la valina poden afectar la seva estructura i funció quan canvia l'abundància de valina a les cèl·lules. A través d'una sèrie d'experiments i combinats amb la literatura sobre el paper important del domini SE14 en la retenció citoplasmàtica de l'HDAC6, els autors van descobrir que la deficiència de valina intracel·lular pot induir la translocació de l'HDAC6 al nucli. La regió activa de l'enzim (DAC1 i DAC2) s'uneix a la regió activa (domini CD) de l'ADN hidroximetilasa TET2, promovent la desacetilació de TET2 i després activant la seva activitat enzimàtica. Mitjan?ant tècniques de metilòmica com ara WGBS, ACE-Seq i MAB-Seq, vam confirmar a més que la inanició de valina intracel·lular pot promoure la desmetilació activa de l'ADN a través de l'eix de senyal HDAC6-TET2. Anteriorment, l'equip d'Andre Nussenzweig va descobrir que la desmetilació activa de l'ADN dependent de la timina ADN glicosilasa (TDG) provocava danys monocatenaris de l'ADN en un potenciador neuronal. Combinant TET2 ChIP-Seq amb la tecnologia de seqüenciació d'alt rendiment END-Seq i ddC S1 END-Seq, vam determinar que la deficiència de valina promou el dany a l'ADN. El dany a l'ADN indu?t per la deficiència de valina també depèn del dany monocatenari causat per l'excisió de l'oximetilcitosina (5fC/5caC) per TDG.

En conjunt, els autors van descobrir nous sensors de valina i, per primera vegada, van elucidar el mecanisme molecular pel qual la valina limita la inducció de danys a l'ADN a través de l'eix de senyalització HDAC6-TET2-TDG, afegint una nova dimensió a la comprensió de la funció de l'estrès dels aminoàcids en la determinació del destí cel·lular.

La restricció dietètica o la focalització del metabolisme i la detecció d'aminoàcids s'ha convertit en una estratègia complementària per a la prolongació de la vida i el tractament de moltes malalties, inclòs el càncer. Atès que la privació de valina pot induir danys a l'ADN, els autors van investigar més a fons si la restricció de valina juga un paper en el tractament del càncer. En un model de tumor de xenograft de càncer colorectal, una dieta restringida en valina adequada (0,41% de valina, p/p) va inhibir significativament el creixement tumoral amb menys efectes secundaris. Tant en el grup de prevenció com en el de tractament, els autors van demostrar a més que una dieta restringida en valina inhibia la tumorigènesi i la progressió mitjan?ant un model PDX de càncer colorectal. En mostres tumorals, la disminució dels nivells de valina es va correlacionar positivament amb l'augment de les translocacions nuclears de HDAC6, els nivells de 5hmC i el dany a l'ADN. Com que la inducció de danys a l'ADN és una teràpia anticancerígena, és clínicament possible bloquejar la reparació de l'ADN mitjan?ant inhibidors de PARP. Els autors van trobar que la combinació de dieta restringida en valina i inhibidor de PARP talazoparib va ??millorar significativament l'efecte antitumoral, proporcionant proves sòl(fā)ides de la teràpia per tractar el càncer mitjan?ant la inducció de danys a l'ADN.

En conclusió, l'estudi va trobar que l'HDAC6 en primats és una nova prote?na sensible a la valina independent dels sensors tradicionals, cosa que revela diferències en la detecció de valina entre diferents espècies, cosa que indica el paper important de l'evolució biològica en la detecció d'aminoàcids.

A més, aquest estudi elucideix un nou mecanisme de regulació interactiva de l'estrès metabòl(fā)ic nutricional, la regulació epigenètica i el dany a l'ADN, amplia la importància de l'estrès metabòl(fā)ic nutricional en la biologia de l'estrès i descobreix que la combinació de dieta restringida en valina i inhibidors de PARP es pot utilitzar com una nova estratègia per al tractament del càncer.