アミノ酸はタンパク質(zhì)の基本成分であり、人體組織の重要な成分であり、細(xì)胞シグナル伝達(dá)、酵素活性調(diào)節(jié)、免疫機(jī)能などの生理機(jī)能を擔(dān)っています。

細(xì)胞內(nèi)のアミノ酸量は、様々な生理學(xué)的?病理學(xué)的狀態(tài)において頻繁に変化します。そのため、生體がどのようにアミノ酸量の変化を感知し、適応反応を起こすかは、代謝ストレスと細(xì)胞運(yùn)命に関する重要な科學(xué)的課題です。

異常なアミノ酸感知は、がん、糖尿病、神経変性疾患、そして老化プロセスと密接に関連しています。したがって、異常アミノ酸誘導(dǎo)の分子メカニズムを解明することは、代謝性疾患やがんの予防?治療における新たな標(biāo)的となる可能性があります。必須分岐鎖アミノ酸であるバリンは、タンパク質(zhì)合成、神経行動、そして白血病の進(jìn)行において重要な役割を果たしています。しかしながら、バリンの細(xì)胞內(nèi)感知のメカニズムと機(jī)能は未だ解明されていません。

2024年11月20日、同済大學(xué)醫(yī)學(xué)部/第10付屬人民病院の王平氏のチームは、「ヒトHDAC6はバリン濃度を感知してDNA損傷を制御する」と題する研究論文をネイチャー誌に発表した。

この研究では、新たなバリン特異的センサーであるヒト脫アセチル化酵素 HDAC6 を同定し、バリン制限が HDAC6 の核內(nèi)移行を?qū)Гⅳ饯欷摔瑜盲?TET2 活性を増強(qiáng)し、DNA 損傷を誘発する特定のメカニズムを明らかにしました。

興味深いことに、この感知機(jī)構(gòu)は霊長類に特有であり、さらなる機(jī)構(gòu)解析により、霊長類HDAC6は特異的なセリンリッチなグルタミン酸テトラネクチド（SE14）反復(fù)ドメインを有し、このドメインを介してバリン量を感知することが明らかになりました。腫瘍治療の観點(diǎn)からは、適度なバリン制限またはPARP阻害剤の併用により、腫瘍の増殖を効果的に抑制できます。

この研究は、栄養(yǎng)ストレスがエピジェネティックな修飾を通じて DNA 損傷を制御する新しいメカニズムを明らかにし、バリン制限食と PARP 阻害剤を組み合わせた腫瘍治療の新しい戦略を提案しています。

アミノ酸センサーは通常、細(xì)胞內(nèi)外のアミノ酸濃度の変化を認(rèn)識して反応し、感知機(jī)能を発揮するためにアミノ酸を組み合わせる必要があります。

バリン結(jié)合タンパク質(zhì)を體系的に同定するために、ビオチン化バリンプローブを質(zhì)量分析と組み合わせた免疫共沈降実験に使用し、化學(xué)生物學(xué)によってバリン結(jié)合タンパク質(zhì)の公平なスクリーニングを?qū)g施しました。

著者らは、既知のバリルtRNA合成酵素（VARS）に加えて、脫アセチル化酵素HDAC6がVARSと比較してより強(qiáng)いD-バリン結(jié)合能を示すことを発見した。著者らはさらに、同位體結(jié)合実験、等溫滴定熱量測定（ITC）実験、および熱ドリフト実験により、HDAC6がKd ≈ 2μMの親和性でバリンに直接結(jié)合できることを確認(rèn)した。感知タンパク質(zhì)によって認(rèn)識されるアミノ酸の構(gòu)造特性の分析は、細(xì)胞によって誘導(dǎo)されるアミノ酸存在量の変化の分子メカニズムのさらなる理解に役立つ。バリン類似體の結(jié)合実験を分析することにより、著者らはHDAC6がバリンのカルボキシル末端と側(cè)鎖を認(rèn)識し、アミノ末端の修飾を許容できることを発見した。さらに、HDAC6ノックアウト細(xì)胞では、バリン制限によるmTORシグナル伝達(dá)経路の調(diào)節(jié)は対照群と有意差がなく、この結(jié)合は従來のアミ??ノ酸感知シグナル伝達(dá)経路とは異なることを示唆している。

HDAC6のバリン感知における重要なドメインと機(jī)能を探るため、著者らはHDAC6短縮體結(jié)合実験により、HDAC6がSE14ドメインを介してバリンに結(jié)合することを明らかにした。驚くべきことに、相同性比較により、SE14ドメインは霊長類のHDAC6にのみ存在することが明らかになった。霊長類（ヒトおよびサル）のHDAC6とは異なり、マウスHDAC6はバリンに結(jié)合しない。この発見は、バリン誘導(dǎo)における種間差異を明らかにし、種の進(jìn)化がアミノ酸誘導(dǎo)において重要な役割を果たしていることを示唆している。

HDAC6がSE14ドメインを介してバリンと直接結(jié)合するという結(jié)論に基づき、著者らは、細(xì)胞內(nèi)のバリンの存在量が変化すると、HDAC6とバリンの結(jié)合強(qiáng)度の変化がその構(gòu)造と機(jī)能に影響を與える可能性があると推測しました。一連の実験と、HDAC6の細(xì)胞質(zhì)保持におけるSE14ドメインの重要な役割に関する文獻(xiàn)を組み合わせて、著者らは細(xì)胞內(nèi)バリン欠乏がHDAC6の核への移行を誘導(dǎo)できることを発見しました。酵素活性領(lǐng)域（DAC1とDAC2）はDNAヒドロキシメチラーゼTET2の活性領(lǐng)域（CDドメイン）に結(jié)合し、TET2の脫アセチル化を促進(jìn)し、次にその酵素活性を活性化します。WGBS、ACE-Seq、MAB-Seqなどのメチロミクス技術(shù)を使用して、細(xì)胞內(nèi)バリン飢餓がHDAC6-TET2シグナル軸を介して活性DNA脫メチル化を促進(jìn)できることをさらに確認(rèn)しました。以前、アンドレ?ヌッセンツヴァイクのチームは、チミンDNAグリコシラーゼ（TDG）依存性の活性DNA脫メチル化が神経エンハンサーにおけるDNA一本鎖損傷を引き起こすことを発見しました。TET2 ChIP-Seqとハイスループットシーケンス技術(shù)END-Seq、およびddC S1 END-Seqを組み合わせることで、バリン欠乏がDNA損傷を促進(jìn)することを明らかにしました。バリン欠乏によって引き起こされるDNA損傷は、TDGによるオキシメチルシトシン（5fC/5caC）の切除によって引き起こされる一本鎖損傷にも依存しています。

総合すると、著者らは新たなバリンセンサーを発見し、バリンがHDAC6-TET2-TDGシグナル伝達(dá)軸を介してDNA損傷の誘導(dǎo)を制限する分子メカニズムを初めて解明し、細(xì)胞運(yùn)命決定におけるアミノ酸ストレスの機(jī)能の理解に新たな側(cè)面を加えました。

食事制限、またはアミノ酸代謝と感知の標(biāo)的化は、壽命延長や癌を含む多くの疾患の治療における補(bǔ)助戦略となっている。バリンの欠乏はDNA損傷を誘発する可能性があることから、著者らはバリン制限が癌治療において役割を果たすかどうかをさらに調(diào)べた。大腸癌異種移植腫瘍モデルにおいて、適切なバリン制限食（バリン0.41% w/w）は副作用を少なくして腫瘍の成長を有意に抑制した。著者らはさらに、予防群と治療群の両方において、大腸癌PDXモデルを用いてバリン制限食が腫瘍形成と進(jìn)行を抑制したことを?qū)g証した。腫瘍サンプルにおいて、バリンレベルの減少は、HDAC6核転座、5hmCレベル、およびDNA損傷の増加と正の相関関係にあった。DNA損傷の誘発は抗癌療法であるため、PARP阻害剤を用いてDNA修復(fù)を阻害することは臨床的に可能である。著者らは、バリン制限食とPARP阻害剤タラゾパリブの組み合わせにより抗腫瘍効果が著しく強(qiáng)化されることを発見し、DNA損傷を誘発することで癌を治療する治療法の強(qiáng)力な証拠を示した。

結(jié)論として、この研究では霊長類の HDAC6 は従來のセンサーとは獨(dú)立した新しいバリン感知タンパク質(zhì)であることが判明し、異なる種間でのバリン感知の違いが明らかになり、アミノ酸感知における生物進(jìn)化の重要な役割を示唆しています。

さらに、本研究は、栄養(yǎng)代謝ストレス、エピジェネティック調(diào)節(jié)および DNA 損傷の相互作用調(diào)節(jié)の新しいメカニズムを解明し、ストレス生物學(xué)における栄養(yǎng)代謝ストレスの重要性を広げ、バリン制限食と PARP 阻害剤の組み合わせが癌治療の新たな戦略として使用できることを発見しました。