Aminokiseline su osnovne komponente proteina i va?ne komponente ljudskih tkiva, igraju ulogu prijenosa stani?nih signala, regulacije aktivnosti enzima, imunolo?ke funkcije i drugih fiziolo?kih funkcija.

Obilje aminokiselina u stanicama ?esto se mijenja u razli?itim fiziolo?kim i patolo?kim stanjima. Stoga, kako tijelo osje?a promjenu razine aminokiselina i daje adaptivni odgovor va?an je znanstveni problem metaboli?kog stresa i sudbine stanica.

Abnormalno osjetilo aminokiselina usko je povezano s rakom, dijabetesom, neurodegenerativnim bolestima i procesom starenja. Stoga bi istra?ivanje molekularnog mehanizma abnormalne indukcije aminokiselina moglo pru?iti novi cilj za prevenciju ili lije?enje metaboli?kih bolesti i raka. Valin, kao esencijalna aminokiselina razgranatog lanca, igra va?nu ulogu u sintezi proteina, neuropona?anju i napredovanju leukemije. Me?utim, mehanizam i funkcija stani?nog osjetila valina ostaju nejasni.

Dana 20. studenog 2024. tim Wang Pinga s Medicinskog fakulteta Sveu?ili?ta Tongji / 10. pridru?ene ljudske bolnice objavio je istra?iva?ki rad pod naslovom "Ljudski HDAC6 osje?a obilje valina za regulaciju o?te?enja DNK" u ?asopisu Nature.

Ovo je istra?ivanje identificiralo novi senzor specifi?an za valin, ljudsku deacetilazu HDAC6, i otkrilo specifi?an mehanizam kojim restrikcija valina dovodi do nuklearne translokacije HDAC6, ?ime se poja?ava aktivnost TET2 i izaziva o?te?enje DNK.

Zanimljivo je da je ovaj senzorni mehanizam jedinstven za primate, a daljnja analiza mehanizma otkrila je da HDAC6 primata sadr?i specifi?nu glutamat-tetranektidnu (SE14) ponovljenu domenu bogatu serinom i kroz ovu domenu osje?a obilje valina. ?to se ti?e lije?enja tumora, umjerena restrikcija valinom ili kombinacija PARP inhibitora mo?e u?inkovito inhibirati rast tumora.

Ova studija otkriva novi mehanizam kojim prehrambeni stres regulira o?te?enje DNK putem epigenetske modifikacije i predla?e novu strategiju za lije?enje tumora s dijetom s ograni?enim unosom valina u kombinaciji s PARP inhibitorima.

Senzori aminokiselina obi?no trebaju kombinirati aminokiseline kako bi prepoznali i odgovorili na promjene u koncentraciji aminokiselina unutar i izvan stanice, kako bi izvr?ili svoju senzorsku funkciju.

Kako bi se sustavno identificirali proteini koji ve?u valin, biotinilirane valinske sonde kori?tene su za pokuse imunokoprecipitata u kombinaciji s spektrometrijom mase, a nepristrani pregled proteina koji ve?u valin proveden je pomo?u kemijske biologije.

Autori su otkrili da uz poznate valil tRNA sintetaze (VARS), deacetilaza HDAC6 pokazuje ja?i kapacitet vezanja D-valina u usporedbi s VARS-om. Autori su dalje potvrdili da HDAC6 mo?e izravno vezati valin s afinitetom od Kd ≈ 2 μM kroz pokuse vezanja izotopa, pokuse izotermne titracijske kalorimetrije (ITC) i pokuse toplinskog drifta. Analiza strukturnih karakteristika aminokiselina koje prepoznaju senzorni proteini korisna je za daljnje razumijevanje molekularnog mehanizma promjene koli?ine aminokiselina izazvane stanicama. Analiziraju?i pokuse vezanja analoga valina, autori su otkrili da HDAC6 prepoznaje karboksilni terminal i bo?ni lanac valina i mo?e tolerirati modifikaciju amino terminala. Osim toga, u izba?enim HDAC6 stanicama, regulacija mTOR signalnog puta restrikcijom valina nije se zna?ajno razlikovala od onog u kontrolnoj skupini, ?to sugerira da je ovo vezanje bilo druga?ije od tradicionalnog signalnog puta senzora aminokiselina.

Kako bismo istra?ili va?nu domenu i funkciju HDAC6 senzora valina. Autori su nadalje utvrdili da HDAC6 ve?e valin preko svoje SE14 domene kroz HDAC6 eksperiment vezanja krnjeg tijela. Iznena?uju?e, autori su usporedbom homologije otkrili da je domena SE14 prisutna samo u HDAC6 kod primata. Za razliku od primata (?ovjeka i majmuna) HDAC6, mi?ji HDAC6 se ne ve?e na valin. Ovo otkri?e otkriva razlike izme?u razli?itih vrsta u indukciji valina, sugeriraju?i da evolucija vrste igra va?nu ulogu u indukciji aminokiselina.

Na temelju zaklju?ka da HDAC6 izravno ve?e valin preko svoje SE14 domene, autori su naga?ali da promjene u snazi ??vezanja HDAC6 i valina mogu utjecati na njegovu strukturu i funkciju kada se promijeni obilje valina u stanicama. Kroz niz eksperimenata i u kombinaciji s literaturom o va?noj ulozi domene SE14 u citoplazmatskom zadr?avanju HDAC6, autori su otkrili da intracelularni nedostatak valina mo?e inducirati translokaciju HDAC6 u jezgru. Aktivna regija enzima (DAC1 i DAC2) ve?e se na aktivnu regiju (CD domena) DNA hidroksimetilaze TET2, poti?u?i deacetilaciju TET2, a zatim aktiviraju?i njegovu enzimsku aktivnost. Koriste?i metilomske tehnike kao ?to su WGBS, ACE-Seq i MAB-Seq, dodatno smo potvrdili da intracelularno izgladnjivanje valina mo?e pospje?iti aktivnu demetilaciju DNA kroz signalnu os HDAC6-TET2. Prethodno je tim Andre Nussenzweiga otkrio da je aktivna demetilacija DNA ovisna o timin DNA glikozilazi (TDG) rezultirala o?te?enjem jednog lanca DNA na neuronskom poja?iva?u. Kombinacijom TET2 ChIP-Seq s tehnologijom sekvenciranja visoke propusnosti END-Seq i ddC S1 END-Seq, utvrdili smo da nedostatak valina poti?e o?te?enje DNK. O?te?enje DNA izazvano nedostatkom valina tako?er ovisi o o?te?enju jednog lanca uzrokovanog TDG ekscizijom oksimetilcitozina (5fC/5caC).

Uzev?i zajedno, autori su otkrili nove valinske senzore i po prvi put razjasnili molekularni mehanizam kojim valin ograni?ava indukciju o?te?enja DNK preko signalne osi HDAC6-TET2-TDG, dodaju?i novu dimenziju razumijevanju funkcije stresa aminokiselina u odre?ivanju stani?ne sudbine.

Dijetetska restrikcija ili ciljanje na metabolizam i senzor aminokiselina postalo je pomo?na strategija za produljenje ?ivota i lije?enje mnogih bolesti, uklju?uju?i rak. S obzirom na to da nedostatak valina mo?e uzrokovati o?te?enje DNK, autori su dalje istra?ivali igra li restrikcija valina ulogu u lije?enju raka. U modelu ksenografta tumora kolorektalnog karcinoma, odgovaraju?a dijeta s ograni?enim unosom valina (0,41% valina, w/w) zna?ajno je inhibirala rast tumora s manje nuspojava. I u skupini za prevenciju i u skupini za lije?enje, autori su dodatno pokazali da prehrana s ograni?enim unosom valina inhibira tumorigenezu i progresiju koriste?i PDX model kolorektalnog karcinoma. U uzorcima tumora, smanjene razine valina bile su u pozitivnoj korelaciji s pove?anim HDAC6 nuklearnim translokacijama, razinama 5hmC i o?te?enjem DNA. Budu?i da je izazivanje o?te?enja DNK terapija protiv raka, klini?ki je mogu?e blokirati popravak DNK upotrebom PARP inhibitora. Autori su otkrili da je kombinacija prehrane s ograni?enim unosom valina i PARP inhibitora talazopariba zna?ajno poja?ala antitumorski u?inak, pru?aju?i sna?ne dokaze za terapiju za lije?enje raka induciranjem o?te?enja DNA.

Zaklju?no, studija je otkrila da je HDAC6 kod primata novi protein osjetljiv na valin neovisan o tradicionalnim senzorima, otkrivaju?i razlike u osjetilu valina me?u razli?itim vrstama, ?to ukazuje na va?nu ulogu biolo?ke evolucije u osjetilu aminokiselina.

Osim toga, ova studija razja?njava novi mehanizam interaktivne regulacije nutritivnog metaboli?kog stresa, epigenetske regulacije i o?te?enja DNA, pro?iruje va?nost nutritivnog metaboli?kog stresa u biologiji stresa i otkriva da se kombinacija prehrane s ograni?enjem valina i PARP inhibitora mo?e koristiti kao nova strategija za lije?enje raka.