Aminos?uren sind die Grundbestandteile von Proteinen und wichtige Bestandteile des menschlichen Gewebes. Sie spielen eine Rolle bei der Signalübertragung in Zellen, der Regulierung der Enzymaktivit?t, der Immunfunktion und anderen physiologischen Funktionen.

Die Aminos?urenh?ufigkeit in Zellen ver?ndert sich h?ufig in verschiedenen physiologischen und pathologischen Zust?nden. Daher ist die Frage, wie der K?rper Ver?nderungen des Aminos?urespiegels wahrnimmt und darauf reagiert, ein wichtiges wissenschaftliches Problem im Zusammenhang mit metabolischem Stress und dem Zellschicksal.

Eine abnormale Aminos?urewahrnehmung steht in engem Zusammenhang mit Krebs, Diabetes, neurodegenerativen Erkrankungen und dem Alterungsprozess. Die Erforschung des molekularen Mechanismus der abnormalen Aminos?ureinduktion k?nnte daher neue Ansatzpunkte für die Pr?vention oder Behandlung von Stoffwechselerkrankungen und Krebs bieten. Valin spielt als essentielle verzweigtkettige Aminos?ure eine wichtige Rolle bei der Proteinsynthese, dem neurologischen Verhalten und der Leuk?mieentwicklung. Mechanismus und Funktion der zellul?ren Valinwahrnehmung sind jedoch noch unklar.

Am 20. November 2024 ver?ffentlichte das Team von Wang Ping von der Tongji University School of Medicine / 10th Affiliated People's Hospital in der Zeitschrift Nature eine Forschungsarbeit mit dem Titel ?Human HDAC6 senses valine abundancy to regulate DNA damage“.

Diese Studie identifizierte einen neuen Valin-spezifischen Sensor, die menschliche Deacetylase HDAC6, und enthüllte den spezifischen Mechanismus, durch den eine Valin-Restriktion zur nuklearen Translokation von HDAC6 führt, wodurch die TET2-Aktivit?t erh?ht und DNA-Sch?den verursacht werden.

Interessanterweise ist dieser Sensormechanismus einzigartig bei Primaten. Weitere Mechanismusanalysen zeigten, dass Primaten-HDAC6 eine spezifische Serin-reiche Glutamat-Tetranektid-(SE14)-Wiederholungsdom?ne enth?lt und über diese Dom?ne den Valin-Gehalt erkennt. Im Hinblick auf die Tumorbehandlung kann eine moderate Valin-Restriktion oder die Kombination von PARP-Inhibitoren das Tumorwachstum wirksam hemmen.

Diese Studie enthüllt einen neuartigen Mechanismus, durch den Ern?hrungsstress DNA-Sch?den durch epigenetische Modifikation reguliert, und schl?gt eine neuartige Strategie zur Tumorbehandlung mit einer valinarmen Di?t in Kombination mit PARP-Inhibitoren vor.

Aminos?uresensoren müssen normalerweise Aminos?uren kombinieren, um ?nderungen der Aminos?urekonzentration innerhalb und au?erhalb der Zelle zu erkennen und darauf zu reagieren, damit sie ihre Sensorfunktion erfüllen k?nnen.

Um Valin-bindende Proteine ??systematisch zu identifizieren, wurden biotinylierte Valinsonden für Immunokopr?zipitat-Experimente in Kombination mit Massenspektrometrie verwendet und ein unvoreingenommenes Screening der Valin-bindenden Proteine ??mittels chemischer Biologie durchgeführt.

Die Autoren fanden heraus, dass neben den bekannten Valyl-tRNA-Synthetasen (VARS) die Deacetylase HDAC6 eine st?rkere D-Valin-Bindungskapazit?t im Vergleich zu VARS zeigte. Durch Isotopenbindungsexperimente, Experimente mit isothermer Titrationskalorimetrie (ITC) und thermische Driftexperimente best?tigten die Autoren au?erdem, dass HDAC6 Valin mit einer Affinit?t von Kd ≈ 2 μM direkt binden kann. Die Analyse der strukturellen Eigenschaften von Aminos?uren, die von Sensorproteinen erkannt werden, ist hilfreich, um den molekularen Mechanismus der von Zellen induzierten Ver?nderung der Aminos?ureh?ufigkeit besser zu verstehen. Durch Analyse der Bindungsexperimente mit Valinanaloga fanden die Autoren heraus, dass HDAC6 das Carboxylterminal und die Seitenkette von Valin erkennt und die Modifikation des Aminoterminals tolerieren kann. Au?erdem unterschied sich die Regulierung des mTOR-Signalwegs durch Valinbeschr?nkung in HDAC6-Knockout-Zellen nicht signifikant von der Kontrollgruppe, was darauf hindeutet, dass diese Bindung sich vom traditionellen Aminos?uresensor-Signalweg unterschied.

Um die wichtige Dom?ne und Funktion von HDAC6 bei der Valinerkennung zu erforschen, stellten die Autoren im HDAC6-Trunkk?rper-Bindungsexperiment fest, dass HDAC6 Valin über seine SE14-Dom?ne bindet. überraschenderweise stellten die Autoren durch Homologievergleich fest, dass die SE14-Dom?ne nur in HDAC6 bei Primaten vorkommt. Im Gegensatz zu HDAC6 bei Primaten (Mensch und Affe) bindet Maus-HDAC6 nicht an Valin. Dieser Befund verdeutlicht die Unterschiede zwischen verschiedenen Spezies bei der Valin-Induktion und legt nahe, dass die Speziesevolution eine wichtige Rolle bei der Aminos?ure-Induktion spielt.

Basierend auf der Schlussfolgerung, dass HDAC6 Valin direkt über seine SE14-Dom?ne bindet, spekulierten die Autoren, dass ?nderungen der Bindungsst?rke von HDAC6 und Valin dessen Struktur und Funktion beeinflussen k?nnten, wenn sich die Valinh?ufigkeit in Zellen ?ndert. Durch eine Reihe von Experimenten und kombiniert mit der Literatur über die wichtige Rolle der SE14-Dom?ne bei der zytoplasmatischen Retention von HDAC6 fanden die Autoren heraus, dass intrazellul?rer Valinmangel die Translokation von HDAC6 in den Zellkern induzieren kann. Die aktive Region des Enzyms (DAC1 und DAC2) bindet an die aktive Region (CD-Dom?ne) der DNA-Hydroxymethylase TET2, f?rdert die Deacetylierung von TET2 und aktiviert dann seine Enzymaktivit?t. Unter Verwendung von Methylomik-Techniken wie WGBS, ACE-Seq und MAB-Seq best?tigten wir au?erdem, dass intrazellul?rer Valinmangel die aktive DNA-Demethylierung über die HDAC6-TET2-Signalachse f?rdern kann. Zuvor hatte Andre Nussenzweigs Team herausgefunden, dass die von Thymin-DNA-Glykosylase (TDG) abh?ngige aktive DNA-Demethylierung zu DNA-Einzelstrangsch?den am neuronalen Enhancer führte. Durch die Kombination von TET2 ChIP-Seq mit der Hochdurchsatz-Sequenzierungstechnologie END-Seq und ddC S1 END-Seq stellten wir fest, dass Valinmangel DNA-Sch?den f?rdert. Die durch Valinmangel verursachten DNA-Sch?den h?ngen auch von den Einzelstrangsch?den ab, die durch die TDG-Exzision von Oxymethylcytosin (5fC/5caC) verursacht werden.

Zusammenfassend haben die Autoren neuartige Valinsensoren entdeckt und erstmals den molekularen Mechanismus aufgekl?rt, durch den Valin die Induktion von DNA-Sch?den über die HDAC6-TET2-TDG-Signalachse begrenzt, wodurch das Verst?ndnis der Funktion von Aminos?urestress bei der Bestimmung des Zellschicksals um eine neue Dimension erweitert wird.

Die Einschr?nkung der Ern?hrung oder die gezielte Beeinflussung des Aminos?urestoffwechsels und der Aminos?urewahrnehmung ist zu einer unterstützenden Strategie zur Lebensverl?ngerung und zur Behandlung vieler Krankheiten, einschlie?lich Krebs, geworden. Angesichts der Tatsache, dass Valinmangel DNA-Sch?den verursachen kann, untersuchten die Autoren weiter, ob Valinbeschr?nkung eine Rolle bei der Krebsbehandlung spielt. In einem Xenograft-Tumormodell für kolorektales Karzinom hemmte eine entsprechende valinbeschr?nkte Ern?hrung (0,41 % Valin, w/w) das Tumorwachstum signifikant bei weniger Nebenwirkungen. Sowohl in der Pr?ventions- als auch in der Behandlungsgruppe zeigten die Autoren anhand eines PDX-Modells für kolorektales Karzinom au?erdem, dass eine valinbeschr?nkte Ern?hrung die Tumorentstehung und -progression hemmte. In Tumorproben korrelierten verringerte Valinspiegel positiv mit erh?hten HDAC6-Kerntranslokationen, 5hmC-Spiegeln und DNA-Sch?den. Da das Herbeiführen von DNA-Sch?den eine Krebstherapie ist, ist es klinisch m?glich, die DNA-Reparatur durch den Einsatz von PARP-Inhibitoren zu blockieren. Die Autoren stellten fest, dass die Kombination aus einer Valin-armen Di?t und dem PARP-Inhibitor Talazoparib die Antitumorwirkung deutlich verst?rkte, was starke Beweise dafür liefert, dass die Therapie Krebs durch die Induktion von DNA-Sch?den behandeln kann.

Zusammenfassend ergab die Studie, dass HDAC6 bei Primaten ein neuartiges Valin-Sensorprotein ist, das unabh?ngig von herk?mmlichen Sensoren ist. Dies offenbart Unterschiede in der Valin-Sensorik zwischen verschiedenen Arten und weist auf die wichtige Rolle der biologischen Evolution bei der Aminos?ure-Sensorik hin.

Darüber hinaus beleuchtet diese Studie einen neuen Mechanismus der interaktiven Regulierung von ern?hrungsbedingtem metabolischem Stress, epigenetischer Regulierung und DNA-Sch?den, erweitert die Bedeutung von ern?hrungsbedingtem metabolischem Stress in der Stressbiologie und stellt fest, dass die Kombination aus einer valinarmen Ern?hrung und PARP-Inhibitoren als neue Strategie zur Krebsbehandlung eingesetzt werden kann.