Los aminoácidos son los componentes básicos de las proteínas y componentes importantes de los tejidos humanos, desempe?ando el papel de transducción de se?ales celulares, regulación de la actividad enzimática, función inmune y otras funciones fisiológicas.

La abundancia de aminoácidos en las células suele variar en diferentes estados fisiológicos y patológicos. Por lo tanto, la forma en que el cuerpo detecta el cambio en el nivel de aminoácidos y genera una respuesta adaptativa es un problema científico importante en el ámbito del estrés metabólico y el destino celular.

La detección anormal de aminoácidos está estrechamente relacionada con el cáncer, la diabetes, las enfermedades neurodegenerativas y el envejecimiento. Por lo tanto, explorar el mecanismo molecular de la inducción anormal de aminoácidos podría proporcionar una nueva diana para la prevención o el tratamiento de enfermedades metabólicas y el cáncer. La valina, como aminoácido esencial de cadena ramificada, desempe?a un papel importante en la síntesis de proteínas, el neurocomportamiento y la progresión de la leucemia. Sin embargo, el mecanismo y la función de la detección celular de la valina siguen sin estar claros.

El 20 de noviembre de 2024, el equipo de Wang Ping de la Facultad de Medicina de la Universidad de Tongji / Décimo Hospital Popular Afiliado publicó un artículo de investigación titulado "La HDAC6 humana detecta la abundancia de valina para regular el da?o del ADN" en la revista Nature.

Este estudio identificó un nuevo sensor específico de valina, la desacetilasa humana HDAC6, y reveló el mecanismo específico por el cual la restricción de valina conduce a la translocación nuclear de HDAC6, mejorando así la actividad de TET2 e induciendo da?o al ADN.

Curiosamente, este mecanismo de detección es exclusivo de los primates, y un análisis más detallado del mecanismo reveló que la HDAC6 de primates contiene un dominio de repetición específico de glutamato-tetranéctido (SE14) rico en serina y detecta la abundancia de valina a través de este dominio. En cuanto al tratamiento tumoral, la restricción moderada de valina o la combinación de inhibidores de PARP pueden inhibir eficazmente el crecimiento tumoral.

Este estudio revela un nuevo mecanismo por el cual el estrés nutricional regula el da?o del ADN a través de la modificación epigenética y propone una nueva estrategia para el tratamiento de tumores con una dieta restringida en valina combinada con inhibidores de PARP.

Los sensores de aminoácidos generalmente necesitan combinar aminoácidos para reconocer y responder a los cambios en la concentración de aminoácidos dentro y fuera de la célula, a fin de realizar su función de detección.

Para identificar sistemáticamente las proteínas que se unen a la valina, se utilizaron sondas de valina biotinilada para experimentos de inmunocoprecipitado combinados con espectrometría de masas, y se realizó una detección imparcial de las proteínas que se unen a la valina mediante biología química.

Los autores encontraron que, además de las sintetasas de ARNt de valilo (VARS) conocidas, la desacetilasa HDAC6 mostró una capacidad de unión a D-valina más fuerte en comparación con VARS. Los autores confirmaron además que HDAC6 puede unirse directamente a valina con una afinidad de Kd ≈ 2 μM a través de experimentos de unión de isótopos, experimentos de calorimetría de titulación isotérmica (ITC) y experimentos de deriva térmica. El análisis de las características estructurales de los aminoácidos reconocidos por las proteínas sensoras es útil para comprender mejor el mecanismo molecular del cambio de la abundancia de aminoácidos inducido por las células. Al analizar los experimentos de unión de análogos de valina, los autores encontraron que HDAC6 reconoce el terminal carboxilo y la cadena lateral de valina y puede tolerar la modificación amino terminal. Además, en células knock out de HDAC6, la regulación de la vía de se?alización de mTOR por restricción de valina no fue significativamente diferente de la del grupo control, lo que sugiere que esta unión era diferente de la vía de se?alización de detección de aminoácidos tradicional.

Para explorar el importante dominio y la función de HDAC6 en la detección de valina, los autores determinaron además que HDAC6 se une a valina a través de su dominio SE14 mediante el experimento de unión a cuerpos truncados de HDAC6. Sorprendentemente, mediante comparación de homología, los autores descubrieron que el dominio SE14 solo está presente en HDAC6 en primates. A diferencia de HDAC6 en primates (humanos y monos), HDAC6 en ratón no se une a valina. Este hallazgo revela las diferencias entre especies en la inducción de valina, lo que sugiere que la evolución de las especies desempe?a un papel importante en la inducción de aminoácidos.

Con base en la conclusión de que HDAC6 se une directamente a la valina a través de su dominio SE14, los autores especularon que los cambios en la fuerza de unión de HDAC6 y valina pueden afectar su estructura y función cuando cambia la abundancia de valina en las células. A través de una serie de experimentos y combinados con la literatura sobre el importante papel del dominio SE14 en la retención citoplasmática de HDAC6, los autores encontraron que la deficiencia intracelular de valina puede inducir la translocación de HDAC6 al núcleo. La región activa de la enzima (DAC1 y DAC2) se une a la región activa (dominio CD) de la ADN hidroximetilasa TET2, promoviendo la desacetilación de TET2 y luego activando su actividad enzimática. Usando técnicas metilómicas como WGBS, ACE-Seq y MAB-Seq, confirmamos además que la inanición intracelular de valina puede promover la desmetilación activa del ADN a través del eje de se?al HDAC6-TET2. Previamente, el equipo de Andre Nussenzweig descubrió que la desmetilación activa del ADN dependiente de la timina ADN glicosilasa (TDG) provocaba da?o monocatenario en el potenciador neuronal. Mediante la combinación de TET2 ChIP-Seq con la tecnología de secuenciación de alto rendimiento END-Seq y ddC S1 END-Seq, determinamos que la deficiencia de valina promueve el da?o del ADN. El da?o del ADN inducido por la deficiencia de valina también depende del da?o monocatenario causado por la escisión de la oximetilcitosina (5fC/5caC) por TDG.

En conjunto, los autores descubrieron nuevos sensores de valina y por primera vez dilucidaron el mecanismo molecular por el cual la valina limita la inducción de da?o al ADN a través del eje de se?alización HDAC6-TET2-TDG, agregando una nueva dimensión a la comprensión de la función del estrés de aminoácidos en la determinación del destino celular.

La restricción dietética o la focalización del metabolismo y la detección de aminoácidos se ha convertido en una estrategia complementaria para la prolongación de la vida y el tratamiento de muchas enfermedades, incluido el cáncer. Dado que la privación de valina puede inducir da?o al ADN, los autores investigaron más a fondo si la restricción de valina desempe?a un papel en el tratamiento del cáncer. En un modelo tumoral de xenoinjerto de cáncer colorrectal, una dieta apropiada restringida en valina (0,41 % valina, p/p) inhibió significativamente el crecimiento del tumor con menos efectos secundarios. Tanto en el grupo de prevención como en el de tratamiento, los autores demostraron además que una dieta restringida en valina inhibió la tumorigénesis y la progresión utilizando un modelo PDX de cáncer colorrectal. En muestras tumorales, la disminución de los niveles de valina se correlacionó positivamente con un aumento de las translocaciones nucleares de HDAC6, los niveles de 5hmC y el da?o al ADN. Dado que la inducción de da?o al ADN es una terapia anticancerígena, es clínicamente posible bloquear la reparación del ADN mediante el uso de inhibidores de PARP. Los autores descubrieron que la combinación de una dieta restringida en valina y el inhibidor de PARP talazoparib mejoraba significativamente el efecto antitumoral, lo que aporta una prueba sólida de que la terapia trata el cáncer induciendo da?o al ADN.

En conclusión, el estudio encontró que HDAC6 en primates es una nueva proteína de detección de valina independiente de los sensores tradicionales, lo que revela diferencias en la detección de valina entre diferentes especies, lo que indica el importante papel de la evolución biológica en la detección de aminoácidos.

Además, este estudio aclara un nuevo mecanismo de regulación interactiva del estrés metabólico nutricional, la regulación epigenética y el da?o al ADN, amplía la importancia del estrés metabólico nutricional en la biología del estrés y descubre que la combinación de una dieta restringida en valina e inhibidores de PARP puede utilizarse como una nueva estrategia para el tratamiento del cáncer.