Asam amino merupakan komponen dasar protein dan komponen penting jaringan manusia, berperan dalam transduksi sinyal sel, pengaturan aktivitas enzim, fungsi kekebalan tubuh dan fungsi fisiologis lainnya.

Kelimpahan asam amino dalam sel sering berubah dalam berbagai kondisi fisiologis dan patologis. Oleh karena itu, bagaimana tubuh merasakan perubahan kadar asam amino dan membuat respons adaptif merupakan masalah ilmiah penting mengenai stres metabolik dan nasib sel.

Penginderaan asam amino abnormal berkaitan erat dengan kanker, diabetes, penyakit neurodegeneratif, dan proses penuaan. Oleh karena itu, mengeksplorasi mekanisme molekuler induksi asam amino abnormal dapat memberikan target baru untuk pencegahan atau pengobatan penyakit metabolik dan kanker. Valin, sebagai asam amino rantai cabang yang esensial, memainkan peran penting dalam sintesis protein, perilaku saraf, dan perkembangan leukemia. Namun, mekanisme dan fungsi penginderaan seluler valin masih belum jelas.

Pada tanggal 20 November 2024, tim Wang Ping dari Fakultas Kedokteran Universitas Tongji / Rumah Sakit Rakyat Afiliasi ke-10 menerbitkan sebuah makalah penelitian berjudul "Human HDAC6 senses valine abundancy to arrange DNA damage" di jurnal Nature.

Penelitian ini mengidentifikasi sensor spesifik valin baru, deasetilase manusia HDAC6, dan mengungkap mekanisme spesifik di mana pembatasan valin menyebabkan translokasi nuklir HDAC6, sehingga meningkatkan aktivitas TET2 dan mendorong kerusakan DNA.

Menariknya, mekanisme penginderaan ini unik bagi primata, dan analisis mekanisme lebih lanjut mengungkapkan bahwa HDAC6 primata mengandung domain pengulangan glutamat-tetranektida (SE14) kaya serin dan merasakan kelimpahan valin melalui domain ini. Dalam hal pengobatan tumor, pembatasan valin sedang atau kombinasi penghambat PARP dapat secara efektif menghambat pertumbuhan tumor.

Studi ini mengungkap mekanisme baru di mana stres nutrisi mengatur kerusakan DNA melalui modifikasi epigenetik, dan mengusulkan strategi baru untuk pengobatan tumor dengan diet terbatas valin yang dikombinasikan dengan penghambat PARP.

Sensor asam amino biasanya perlu menggabungkan asam amino untuk mengenali dan merespons perubahan konsentrasi asam amino di dalam dan luar sel, untuk menjalankan fungsi penginderaannya.

Untuk mengidentifikasi protein pengikat valin secara sistematis, probe valin terbiotinilasi digunakan untuk eksperimen imunokopresipitat yang dikombinasikan dengan spektrometri massa, dan penyaringan protein pengikat valin yang tidak bias dilakukan dengan biologi kimia.

Para penulis menemukan bahwa sebagai tambahan terhadap valyl tRNA synthetases (VARS) yang diketahui, deacetylase HDAC6 menunjukkan kapasitas pengikatan D-valin yang lebih kuat dibandingkan dengan VARS. Para penulis selanjutnya mengonfirmasi bahwa HDAC6 dapat secara langsung mengikat valin dengan afinitas Kd ≈ 2μM melalui eksperimen pengikatan isotop, eksperimen kalorimetri titrasi isotermal (ITC) dan eksperimen pergeseran termal. Analisis karakteristik struktural asam amino yang dikenali oleh protein penginderaan membantu untuk lebih memahami mekanisme molekuler dari perubahan kelimpahan asam amino yang diinduksi oleh sel. Dengan menganalisis eksperimen pengikatan analog valin, para penulis menemukan bahwa HDAC6 mengenali terminal karboksil dan rantai samping valin dan dapat menoleransi modifikasi terminal amino. Selain itu, pada sel knockout HDAC6, regulasi jalur pensinyalan mTOR oleh pembatasan valin tidak berbeda secara signifikan dari kelompok kontrol, yang menunjukkan bahwa pengikatan ini berbeda dari jalur pensinyalan penginderaan asam amino tradisional.

Untuk mengeksplorasi domain dan fungsi penting HDAC6 yang mendeteksi valin. Para penulis selanjutnya menentukan bahwa HDAC6 mengikat valin melalui domain SE14 melalui eksperimen pengikatan badan terpotong HDAC6. Anehnya, para penulis menemukan melalui perbandingan homologi bahwa domain SE14 hanya ada dalam HDAC6 pada primata. Tidak seperti HDAC6 primata (manusia dan monyet), HDAC6 tikus tidak mengikat valin. Temuan ini mengungkap perbedaan antara spesies yang berbeda dalam induksi valin, yang menunjukkan bahwa evolusi spesies memainkan peran penting dalam induksi asam amino.

Berdasarkan kesimpulan bahwa HDAC6 secara langsung mengikat valin melalui domain SE14, penulis berspekulasi bahwa perubahan kekuatan pengikatan HDAC6 dan valin dapat memengaruhi struktur dan fungsinya ketika kelimpahan valin dalam sel berubah. Melalui serangkaian percobaan dan dikombinasikan dengan literatur tentang peran penting domain SE14 dalam retensi sitoplasma HDAC6, penulis menemukan bahwa defisiensi valin intraseluler dapat menginduksi translokasi HDAC6 ke nukleus. Daerah aktif enzim (DAC1 dan DAC2) mengikat daerah aktif (domain CD) dari DNA hidroksimetilase TET2, mendorong deasetilasi TET2, dan kemudian mengaktifkan aktivitas enzimnya. Dengan menggunakan teknik metilomik seperti WGBS, ACE-Seq dan MAB-Seq, kami selanjutnya mengonfirmasi bahwa kelaparan valin intraseluler dapat mendorong demetilasi DNA aktif melalui sumbu sinyal HDAC6-TET2. Sebelumnya, tim Andre Nussenzweig menemukan bahwa demetilasi DNA aktif yang bergantung pada timin DNA glikosilase (TDG) mengakibatkan kerusakan untai tunggal DNA pada penguat neuronal. Dengan menggabungkan TET2 ChIP-Seq dengan teknologi sekuensing berthroughput tinggi END-Seq dan ddC S1 END-Seq, kami menentukan bahwa defisiensi valin memicu kerusakan DNA. Kerusakan DNA yang disebabkan oleh defisiensi valin juga bergantung pada kerusakan untai tunggal yang disebabkan oleh eksisi oksimetilsitosin (5fC/5caC) TDG.

Secara keseluruhan, para penulis menemukan sensor valin baru dan untuk pertama kalinya menjelaskan mekanisme molekuler yang digunakan valin untuk membatasi induksi kerusakan DNA melalui sumbu pensinyalan HDAC6-TET2-TDG, menambahkan dimensi baru pada pemahaman fungsi stres asam amino dalam penentuan nasib sel.

Pembatasan diet atau penargetan metabolisme dan penginderaan asam amino telah menjadi strategi tambahan untuk perpanjangan hidup dan pengobatan banyak penyakit, termasuk kanker. Mengingat bahwa kekurangan valin dapat menyebabkan kerusakan DNA, penulis selanjutnya menyelidiki apakah pembatasan valin berperan dalam pengobatan kanker. Dalam model tumor xenograft kanker kolorektal, diet terbatas valin yang tepat (0,41% valin, b/b) secara signifikan menghambat pertumbuhan tumor dengan lebih sedikit efek samping. Baik dalam kelompok pencegahan maupun pengobatan, penulis selanjutnya menunjukkan bahwa diet terbatas valin menghambat tumorigenesis dan perkembangan menggunakan model PDX kanker kolorektal. Dalam sampel tumor, penurunan kadar valin berkorelasi positif dengan peningkatan translokasi nuklir HDAC6, kadar 5hmC, dan kerusakan DNA. Karena menginduksi kerusakan DNA adalah terapi antikanker, secara klinis memungkinkan untuk memblokir perbaikan DNA dengan menggunakan inhibitor PARP. Para penulis menemukan bahwa kombinasi diet terbatas valin dan penghambat PARP talazoparib secara signifikan meningkatkan efek antitumor, memberikan bukti kuat bagi terapi untuk mengobati kanker dengan menginduksi kerusakan DNA.

Sebagai kesimpulan, penelitian ini menemukan bahwa HDAC6 pada primata adalah protein penginderaan valin baru yang independen dari sensor tradisional, mengungkap perbedaan dalam penginderaan valin di antara spesies yang berbeda, yang menunjukkan peran penting evolusi biologis dalam penginderaan asam amino.

Selain itu, penelitian ini menjelaskan mekanisme baru regulasi interaktif stres metabolik nutrisi, regulasi epigenetik, dan kerusakan DNA, memperluas pentingnya stres metabolik nutrisi dalam biologi stres, dan menemukan bahwa kombinasi diet terbatas valin dan penghambat PARP dapat digunakan sebagai strategi baru untuk pengobatan kanker.