Gli amminoacidi sono i componenti di base delle proteine ??e componenti importanti dei tessuti umani, svolgendo un ruolo nella trasduzione del segnale cellulare, nella regolazione dell'attività enzimatica, nella funzione immunitaria e in altre funzioni fisiologiche.

L'abbondanza di amminoacidi nelle cellule varia spesso in diversi stati fisiologici e patologici. Pertanto, il modo in cui l'organismo percepisce le variazioni del livello di amminoacidi e attua una risposta adattativa è un importante problema scientifico legato allo stress metabolico e al destino cellulare.

Il rilevamento anomalo degli amminoacidi è strettamente correlato a cancro, diabete, malattie neurodegenerative e processo di invecchiamento. Pertanto, esplorare il meccanismo molecolare dell'induzione anomala degli amminoacidi potrebbe fornire un nuovo bersaglio per la prevenzione o il trattamento di malattie metaboliche e cancro. La valina, in quanto amminoacido essenziale a catena ramificata, svolge un ruolo importante nella sintesi proteica, nel neurocomportamento e nella progressione della leucemia. Tuttavia, il meccanismo e la funzione del rilevamento cellulare della valina rimangono poco chiari.

Il 20 novembre 2024, il team di Wang Ping della Tongji University School of Medicine / 10th Affiliated People's Hospital ha pubblicato un articolo di ricerca intitolato "Human HDAC6 senses valine abundancy to adjust DNA damage" sulla rivista Nature.

Questo studio ha identificato un nuovo sensore specifico della valina, la deacetilasi umana HDAC6, e ha rivelato il meccanismo specifico mediante il quale la restrizione della valina porta alla traslocazione nucleare di HDAC6, potenziando così l'attività di TET2 e inducendo danni al DNA.

è interessante notare che questo meccanismo di rilevamento è esclusivo dei primati e ulteriori analisi del meccanismo hanno rivelato che l'HDAC6 dei primati contiene uno specifico dominio ripetuto di glutammato-tetranectide (SE14) ricco di serina e rileva l'abbondanza di valina attraverso questo dominio. In termini di trattamento tumorale, una moderata restrizione della valina o la combinazione di inibitori di PARP possono inibire efficacemente la crescita tumorale.

Questo studio rivela un nuovo meccanismo mediante il quale lo stress nutrizionale regola il danno al DNA attraverso la modifica epigenetica e propone una nuova strategia per il trattamento del tumore con una dieta povera di valina combinata con inibitori della PARP.

Di solito, i sensori degli amminoacidi devono combinare gli amminoacidi per riconoscere e rispondere ai cambiamenti nella concentrazione degli amminoacidi all'interno e all'esterno della cellula, in modo da svolgere la loro funzione di rilevamento.

Per identificare sistematicamente le proteine ??che legano la valina, sono state utilizzate sonde di valina biotinilata per esperimenti con immunocoprecipitati combinati con spettrometria di massa, ed è stato eseguito uno screening imparziale delle proteine ??che legano la valina mediante biologia chimica.

Gli autori hanno scoperto che, oltre alle note valil tRNA sintetasi (VARS), la deacetilasi HDAC6 ha mostrato una maggiore capacità di legame con la D-valina rispetto alle VARS. Gli autori hanno inoltre confermato che HDAC6 può legare direttamente la valina con un'affinità di Kd ≈ 2μM attraverso esperimenti di legame isotopico, esperimenti di calorimetria isotermica di titolazione (ITC) ed esperimenti di deriva termica. L'analisi delle caratteristiche strutturali degli amminoacidi riconosciuti dalle proteine ??di rilevamento è utile per comprendere meglio il meccanismo molecolare della variazione dell'abbondanza amminoacidica indotta dalle cellule. Analizzando gli esperimenti di legame degli analoghi della valina, gli autori hanno scoperto che HDAC6 riconosce il terminale carbossilico e la catena laterale della valina e può tollerare la modifica del terminale amminico. Inoltre, nelle cellule knockout per HDAC6, la regolazione della via di segnalazione mTOR mediante restrizione della valina non era significativamente diversa da quella del gruppo di controllo, suggerendo che questo legame fosse diverso dalla tradizionale via di segnalazione di rilevamento degli amminoacidi.

Al fine di esplorare l'importante dominio e la funzione di HDAC6 nel rilevare la valina, gli autori hanno inoltre determinato che HDAC6 lega la valina attraverso il suo dominio SE14 attraverso l'esperimento di legame del corpo troncato di HDAC6. Sorprendentemente, gli autori hanno scoperto, tramite confronto omologico, che il dominio SE14 è presente solo in HDAC6 nei primati. A differenza di HDAC6 nei primati (umani e scimmie), HDAC6 nei topi non si lega alla valina. Questa scoperta rivela le differenze tra le diverse specie nell'induzione della valina, suggerendo che l'evoluzione delle specie gioca un ruolo importante nell'induzione degli amminoacidi.

Sulla base della conclusione che HDAC6 lega direttamente la valina attraverso il suo dominio SE14, gli autori hanno ipotizzato che le variazioni nella forza di legame tra HDAC6 e valina possano influenzarne la struttura e la funzione al variare dell'abbondanza di valina nelle cellule. Attraverso una serie di esperimenti e combinando i dati della letteratura sull'importante ruolo del dominio SE14 nella ritenzione citoplasmatica di HDAC6, gli autori hanno scoperto che la carenza intracellulare di valina può indurre la traslocazione di HDAC6 nel nucleo. La regione attiva dell'enzima (DAC1 e DAC2) si lega alla regione attiva (dominio CD) della DNA idrossimetilasi TET2, promuovendo la deacetilazione di TET2 e quindi attivandone l'attività enzimatica. Utilizzando tecniche di metilomica come WGBS, ACE-Seq e MAB-Seq, abbiamo ulteriormente confermato che la carenza intracellulare di valina può promuovere la demetilazione attiva del DNA attraverso l'asse segnale HDAC6-TET2. In precedenza, il team di Andre Nussenzweig aveva scoperto che la demetilazione attiva del DNA, dipendente dalla timina DNA glicosilasi (TDG), provocava danni a singolo filamento di DNA sull'enhancer neuronale. Combinando il ChIP-Seq di TET2 con la tecnologia di sequenziamento ad alto rendimento END-Seq e ddC S1 END-Seq, abbiamo determinato che la carenza di valina promuove il danno al DNA. Il danno al DNA indotto dalla carenza di valina dipende anche dal danno a singolo filamento causato dall'escissione dell'ossimetilcitosina (5fC/5caC) da parte della TDG.

Nel complesso, gli autori hanno scoperto nuovi sensori della valina e per la prima volta hanno chiarito il meccanismo molecolare con cui la valina limita l'induzione del danno al DNA tramite l'asse di segnalazione HDAC6-TET2-TDG, aggiungendo una nuova dimensione alla comprensione della funzione dello stress degli amminoacidi nella determinazione del destino cellulare.

La restrizione dietetica o il targeting del metabolismo e del rilevamento degli aminoacidi sono diventati una strategia aggiuntiva per l'estensione della vita e il trattamento di molte malattie, incluso il cancro. Dato che la privazione di valina può indurre danni al DNA, gli autori hanno ulteriormente studiato se la restrizione di valina svolga un ruolo nel trattamento del cancro. In un modello tumorale xenotrapianto di cancro colorettale, un'adeguata dieta a basso contenuto di valina (0,41% di valina, p/p) ha inibito significativamente la crescita tumorale con minori effetti collaterali. Sia nel gruppo di prevenzione che in quello di trattamento, gli autori hanno ulteriormente dimostrato che una dieta a basso contenuto di valina ha inibito la tumorigenesi e la progressione utilizzando un modello PDX di cancro colorettale. Nei campioni tumorali, la riduzione dei livelli di valina era positivamente correlata all'aumento delle traslocazioni nucleari di HDAC6, dei livelli di 5hmC e del danno al DNA. Poiché indurre danni al DNA è una terapia antitumorale, è clinicamente possibile bloccare la riparazione del DNA utilizzando inibitori di PARP. Gli autori hanno scoperto che la combinazione di una dieta povera di valina e dell'inibitore della PARP talazoparib ha migliorato significativamente l'effetto antitumorale, fornendo una forte evidenza a sostegno della terapia per il trattamento del cancro mediante l'induzione di danni al DNA.

In conclusione, lo studio ha scoperto che HDAC6 nei primati è una nuova proteina di rilevamento della valina indipendente dai sensori tradizionali, rivelando differenze nel rilevamento della valina tra specie diverse, indicando l'importante ruolo dell'evoluzione biologica nel rilevamento degli amminoacidi.

Inoltre, questo studio chiarisce un nuovo meccanismo di regolazione interattiva dello stress metabolico nutrizionale, della regolazione epigenetica e del danno al DNA, amplia l'importanza dello stress metabolico nutrizionale nella biologia dello stress e scopre che la combinazione di una dieta povera di valina e di inibitori di PARP può essere utilizzata come nuova strategia per il trattamento del cancro.