Asid amino ialah komponen asas protein dan komponen penting tisu manusia, memainkan peranan transduksi isyarat sel, pengawalan aktiviti enzim, fungsi imun dan fungsi fisiologi yang lain.

Kelimpahan asid amino dalam sel sering berubah dalam keadaan fisiologi dan patologi yang berbeza. Oleh itu, bagaimana tubuh merasakan perubahan paras asid amino dan membuat tindak balas penyesuaian adalah masalah saintifik penting tekanan metabolik dan nasib sel.

Penderiaan asid amino yang tidak normal berkait rapat dengan kanser, diabetes, penyakit neurodegeneratif dan proses penuaan. Oleh itu, meneroka mekanisme molekul induksi asid amino yang tidak normal mungkin menyediakan sasaran baru untuk pencegahan atau rawatan penyakit metabolik dan kanser. Valine, sebagai asid amino rantai bercabang yang penting, memainkan peranan penting dalam sintesis protein, tingkah laku neuro, dan perkembangan leukemia. Walau bagaimanapun, mekanisme dan fungsi penderiaan selular valine masih tidak jelas.

Pada 20 November 2024, pasukan Wang Ping dari Sekolah Perubatan Universiti Tongji / Hospital Orang Gabungan Ke-10 menerbitkan kertas penyelidikan bertajuk "Human HDAC6 merasakan kelimpahan valine untuk mengawal kerosakan DNA" dalam jurnal Nature.

Kajian ini mengenal pasti sensor khusus valine novel, deacetylase manusia HDAC6, dan mendedahkan mekanisme khusus yang mana sekatan valine membawa kepada translokasi nuklear HDAC6, dengan itu meningkatkan aktiviti TET2 dan mendorong kerosakan DNA.

Menariknya, mekanisme penderiaan ini unik untuk primat, dan analisis mekanisme selanjutnya mendedahkan bahawa HDAC6 primat mengandungi domain ulangan glutamat-tetranektida (SE14) yang kaya serine dan merasakan kelimpahan valine melalui domain ini. Dari segi rawatan tumor, sekatan valine sederhana atau gabungan perencat PARP boleh menghalang pertumbuhan tumor dengan berkesan.

Kajian ini mendedahkan mekanisme baru di mana tekanan pemakanan mengawal kerosakan DNA melalui pengubahsuaian epigenetik, dan mencadangkan strategi baru untuk rawatan tumor dengan diet terhad valine digabungkan dengan perencat PARP.

Penderia asid amino biasanya perlu menggabungkan asid amino untuk mengenali dan bertindak balas terhadap perubahan kepekatan asid amino di dalam dan di luar sel, untuk melaksanakan fungsi penderiaannya.

Untuk mengenal pasti protein pengikat valine secara sistematik, probe valine terbiotinilasi digunakan untuk eksperimen immunocoprecipitate digabungkan dengan spektrometri jisim, dan pemeriksaan tidak berat sebelah bagi protein pengikat valin telah dilakukan oleh biologi kimia.

Penulis mendapati bahawa sebagai tambahan kepada valyl tRNA synthetases (VARS) yang diketahui, deacetylase HDAC6 menunjukkan kapasiti pengikatan D-valine yang lebih kuat berbanding VARS. Penulis selanjutnya mengesahkan bahawa HDAC6 boleh secara langsung mengikat valine dengan pertalian Kd ≈ 2μM melalui eksperimen mengikat isotop, eksperimen kalorimetri titrasi isoterma (ITC) dan eksperimen hanyutan terma. Analisis ciri-ciri struktur asid amino yang diiktiraf oleh protein penderiaan berguna untuk memahami lebih lanjut mekanisme molekul perubahan kelimpahan asid amino yang disebabkan oleh sel. Dengan menganalisis eksperimen mengikat analog valine, penulis mendapati bahawa HDAC6 mengiktiraf terminal karboksil dan rantai sisi valine dan boleh bertolak ansur dengan pengubahsuaian terminal amino. Di samping itu, dalam sel kalah mati HDAC6, peraturan laluan isyarat mTOR oleh sekatan valine tidak jauh berbeza daripada kumpulan kawalan, menunjukkan bahawa pengikatan ini berbeza daripada laluan isyarat pengesan asid amino tradisional.

Untuk meneroka domain dan fungsi penting valine penderiaan HDAC6. Penulis selanjutnya menentukan bahawa HDAC6 mengikat valine melalui domain SE14 melalui eksperimen mengikat badan terpotong HDAC6. Yang menghairankan, pengarang mendapati melalui perbandingan homologi bahawa domain SE14 hanya terdapat dalam HDAC6 dalam primata. Tidak seperti primata (manusia dan monyet) HDAC6, tetikus HDAC6 tidak terikat pada valine. Penemuan ini mendedahkan perbezaan antara spesies yang berbeza dalam induksi valine, menunjukkan bahawa evolusi spesies memainkan peranan penting dalam induksi asid amino.

Berdasarkan kesimpulan bahawa HDAC6 secara langsung mengikat valine melalui domain SE14nya, penulis membuat spekulasi bahawa perubahan dalam kekuatan mengikat HDAC6 dan valine boleh menjejaskan struktur dan fungsinya apabila banyak valine dalam sel berubah. Melalui satu siri eksperimen dan digabungkan dengan literatur mengenai peranan penting domain SE14 dalam pengekalan sitoplasma HDAC6, penulis mendapati bahawa kekurangan valine intraselular boleh mendorong translokasi HDAC6 ke nukleus. Rantau aktif enzim (DAC1 dan DAC2) mengikat ke kawasan aktif (domain CD) DNA hydroxymethylase TET2, menggalakkan penyahetilasi TET2, dan kemudian mengaktifkan aktiviti enzimnya. Menggunakan teknik methylomics seperti WGBS, ACE-Seq dan MAB-Seq, kami selanjutnya mengesahkan bahawa kebuluran valine intraselular boleh menggalakkan demetilasi DNA aktif melalui paksi isyarat HDAC6-TET2. Sebelum ini, pasukan Andre Nussenzweig mendapati bahawa demetilasi DNA aktif bergantung kepada DNA timin (TDG) mengakibatkan kerosakan rantai tunggal DNA pada penambah neuron. Dengan menggabungkan TET2 ChIP-Seq dengan teknologi penjujukan throughput tinggi END-Seq dan ddC S1 END-Seq, kami menentukan bahawa kekurangan valine menggalakkan kerosakan DNA. Kerosakan DNA yang disebabkan oleh kekurangan valine juga bergantung kepada kerosakan helai tunggal yang disebabkan oleh pengasingan TDG oxymethylcytosine (5fC/5caC).

Diambil bersama, pengarang menemui sensor valine novel dan buat pertama kalinya menjelaskan mekanisme molekul yang mana valine mengehadkan induksi kerosakan DNA melalui paksi isyarat HDAC6-TET2-TDG, menambah dimensi baharu kepada pemahaman fungsi tekanan asid amino dalam penentuan nasib sel.

Sekatan diet atau penyasaran metabolisme dan pengesanan asid amino telah menjadi strategi tambahan untuk lanjutan hayat dan rawatan banyak penyakit, termasuk kanser. Memandangkan kekurangan valine boleh menyebabkan kerosakan DNA, penulis menyiasat lagi sama ada sekatan valine memainkan peranan dalam rawatan kanser. Dalam model tumor xenograf kanser kolorektal, diet sekatan valine yang sesuai (0.41% valine, w/w) dengan ketara menghalang pertumbuhan tumor dengan kesan sampingan yang lebih sedikit. Dalam kedua-dua kumpulan pencegahan dan rawatan, penulis selanjutnya menunjukkan bahawa diet terhad valine menghalang tumorigenesis dan perkembangan menggunakan model PDX kanser kolorektal. Dalam sampel tumor, penurunan paras valine berkorelasi positif dengan peningkatan translokasi nuklear HDAC6, tahap 5hmC, dan kerosakan DNA. Memandangkan mendorong kerosakan DNA adalah terapi antikanser, secara klinikal mungkin untuk menyekat pembaikan DNA dengan menggunakan perencat PARP. Penulis mendapati bahawa gabungan diet terhad valine dan perencat PARP talazoparib dengan ketara meningkatkan kesan antitumor, memberikan bukti kukuh untuk terapi untuk merawat kanser dengan mendorong kerosakan DNA.

Kesimpulannya, kajian mendapati bahawa HDAC6 dalam primata ialah protein penderia valine novel bebas daripada penderia tradisional, mendedahkan perbezaan penderiaan valine di kalangan spesies yang berbeza, menunjukkan peranan penting evolusi biologi dalam penderiaan asid amino.

Di samping itu, kajian ini menjelaskan mekanisme baharu peraturan interaktif tekanan metabolik pemakanan, peraturan epigenetik dan kerosakan DNA, meluaskan kepentingan tekanan metabolik pemakanan dalam biologi tekanan, dan mendapati bahawa gabungan diet terhad valine dan perencat PARP boleh digunakan sebagai strategi baharu untuk rawatan kanser.