Aminozuren zijn de basisbestanddelen van eiwitten en belangrijke onderdelen van menselijk weefsel. Ze spelen een rol bij de signaaloverdracht in cellen, de regulering van enzymactiviteit, de immuunfunctie en andere fysiologische functies.

De hoeveelheid aminozuren in cellen verandert vaak in verschillende fysiologische en pathologische toestanden. Hoe het lichaam veranderingen in het aminozuurniveau detecteert en daarop reageert, is daarom een ??belangrijk wetenschappelijk probleem met betrekking tot metabole stress en het lot van cellen.

Abnormale aminozuurdetectie is nauw verbonden met kanker, diabetes, neurodegeneratieve aandoeningen en veroudering. Onderzoek naar het moleculaire mechanisme van abnormale aminozuurinductie kan daarom een ??nieuw doelwit bieden voor de preventie of behandeling van metabole aandoeningen en kanker. Valine, een essentieel vertakt aminozuur, speelt een belangrijke rol bij de eiwitsynthese, neurogedrag en de progressie van leukemie. Het mechanisme en de functie van cellulaire detectie van valine blijven echter onduidelijk.

Op 20 november 2024 publiceerde het team van Wang Ping van de Tongji University School of Medicine / 10th Affiliated People's Hospital een onderzoeksartikel met de titel "Human HDAC6 senses valine abundancy to regulate DNA damage" in het tijdschrift Nature.

In deze studie werd een nieuwe valinespecifieke sensor ge?dentificeerd, namelijk de humane deacetylase HDAC6. Ook werd het specifieke mechanisme onthuld waarmee valinebeperking leidt tot nucleaire translocatie van HDAC6, waardoor de TET2-activiteit wordt versterkt en DNA-schade wordt veroorzaakt.

Interessant genoeg is dit detectiemechanisme uniek voor primaten, en verdere mechanismeanalyse toonde aan dat primaten HDAC6 een specifiek serinerijk glutamaat-tetranectide (SE14) repeat-domein bevatten en via dit domein de hoeveelheid valine detecteren. Wat tumorbehandeling betreft, kan matige valinebeperking of een combinatie van PARP-remmers de tumorgroei effectief remmen.

Uit dit onderzoek blijkt dat er een nieuw mechanisme bestaat waarmee voedingsstress DNA-schade reguleert via epigenetische modificatie. Ook wordt een nieuwe strategie voorgesteld voor de behandeling van tumoren met een valinebeperkt dieet in combinatie met PARP-remmers.

Aminozuursensoren moeten doorgaans aminozuren combineren om veranderingen in de aminozuurconcentratie binnen en buiten de cel te kunnen herkennen en hierop te kunnen reageren, zodat ze hun sensorfunctie kunnen uitvoeren.

Om valinebindende eiwitten systematisch te identificeren, werden gebiotinyleerde valineprobes gebruikt voor immunocoprecipitaatexperimenten in combinatie met massaspectrometrie. Ook werd een objectieve screening van valinebindende eiwitten uitgevoerd met behulp van chemische biologie.

De auteurs ontdekten dat, naast de bekende valyl-tRNA-synthetasen (VARS), de deacetylase HDAC6 een sterkere D-valine-bindingscapaciteit vertoonde in vergelijking met VARS. De auteurs bevestigden verder dat HDAC6 direct valine kan binden met een affiniteit van Kd ≈ 2 μM door middel van isotopenbindingsexperimenten, isotherme titratiecalorimetrie (ITC)-experimenten en thermische driftexperimenten. De analyse van de structurele kenmerken van aminozuren die herkend worden door sensing-eiwitten is nuttig om het moleculaire mechanisme van de verandering in aminozuurovervloed ge?nduceerd door cellen beter te begrijpen. Door de bindingsexperimenten van valine-analogen te analyseren, ontdekten de auteurs dat HDAC6 de carboxylterminale en zijketen van valine herkent en de aminoterminale modificatie kan tolereren. Bovendien was de regulatie van de mTOR-signaalroute door valinerestrictie in HDAC6-knockoutcellen niet significant verschillend van die in de controlegroep, wat suggereert dat deze binding verschilde van de traditionele aminozuur-sensing-signaalroute.

Om het belangrijke domein en de functie van HDAC6, dat valine detecteert, te onderzoeken, stelden de auteurs verder vast dat HDAC6 valine bindt via zijn SE14-domein, door middel van het HDAC6-bindingsexperiment met afgeknotte lichamen. Verrassend genoeg ontdekten de auteurs door middel van homologievergelijking dat het SE14-domein alleen aanwezig is in HDAC6 bij primaten. In tegenstelling tot HDAC6 bij primaten (mens en aap), bindt HDAC6 bij muizen niet aan valine. Deze bevinding onthult de verschillen tussen verschillende soorten in valine-inductie, wat suggereert dat soortsevolutie een belangrijke rol speelt bij aminozuurinductie.

Gebaseerd op de conclusie dat HDAC6 valine rechtstreeks bindt via zijn SE14-domein, speculeerden de auteurs dat veranderingen in de bindingssterkte van HDAC6 en valine de structuur en functie ervan kunnen be?nvloeden wanneer de hoeveelheid valine in cellen verandert. Door een reeks experimenten en gecombineerd met de literatuur over de belangrijke rol van het SE14-domein in de cytoplasmatische retentie van HDAC6, ontdekten de auteurs dat intracellulaire valine-defici?ntie HDAC6-translocatie naar de celkern kan induceren. Het enzymactieve gebied (DAC1 en DAC2) bindt aan het actieve gebied (CD-domein) van de DNA-hydroxymethylase TET2, wat de deacetylering van TET2 bevordert en vervolgens de enzymactiviteit ervan activeert. Met behulp van methylomicstechnieken zoals WGBS, ACE-Seq en MAB-Seq hebben we verder bevestigd dat intracellulaire valine-uithongering actieve DNA-demethylering kan bevorderen via de HDAC6-TET2-signaalas. Eerder ontdekte het team van Andre Nussenzweig al dat thymine DNA glycosylase (TDG)-afhankelijke actieve DNA-demethylering leidde tot enkelstrengs DNA-schade aan de neuronale enhancer. Door TET2 ChIP-Seq te combineren met de high-throughput sequencingtechnologie END-Seq en ddC S1 END-Seq, hebben we vastgesteld dat valine-defici?ntie DNA-schade bevordert. De DNA-schade die wordt veroorzaakt door valine-defici?ntie is ook afhankelijk van de enkelstrengs DNA-schade die wordt veroorzaakt door TDG-excisie van oxymethylcytosine (5fC/5caC).

Samen hebben de auteurs nieuwe valinesensoren ontdekt en voor het eerst het moleculaire mechanisme opgehelderd waarmee valine de inductie van DNA-schade via de HDAC6-TET2-TDG-signaalas beperkt. Hiermee is een nieuwe dimensie toegevoegd aan het inzicht in de functie van aminozuurstress bij het bepalen van het cellot.

Dieetbeperking of het richten op aminozuurmetabolisme en -detectie is een aanvullende strategie geworden voor levensverlenging en de behandeling van vele ziekten, waaronder kanker. Aangezien valinegebrek DNA-schade kan veroorzaken, onderzochten de auteurs verder of valinebeperking een rol speelt bij de behandeling van kanker. In een model voor xenotransplantaattumoren van colorectale kanker remde een geschikt valinebeperkt dieet (0,41% valine, w/w) de tumorgroei significant met minder bijwerkingen. In zowel de preventie- als de behandelingsgroep toonden de auteurs verder aan dat een valinebeperkt dieet tumorvorming en -progressie remde met behulp van een PDX-model voor colorectale kanker. In tumormonsters waren verlaagde valinespiegels positief gecorreleerd met verhoogde nucleaire translocaties van HDAC6, 5hmC-spiegels en DNA-schade. Omdat het induceren van DNA-schade een antikankertherapie is, is het klinisch mogelijk om DNA-herstel te blokkeren met behulp van PARP-remmers. De auteurs ontdekten dat de combinatie van een valinebeperkt dieet en de PARP-remmer talazoparib het antitumoreffect aanzienlijk versterkte. Dit levert sterk bewijs op dat deze therapie kanker kan behandelen door DNA-schade te veroorzaken.

Concluderend concludeerde het onderzoek dat HDAC6 bij primaten een nieuw valine-gevoelig eiwit is dat onafhankelijk is van traditionele sensoren. Dit onthult verschillen in valine-gevoeligheid tussen verschillende soorten, wat de belangrijke rol van biologische evolutie in het detecteren van aminozuren aangeeft.

Bovendien verheldert dit onderzoek een nieuw mechanisme van de interactieve regulatie van nutritionele metabole stress, epigenetische regulatie en DNA-schade, vergroot het het belang van nutritionele metabole stress in stressbiologie en concludeert dat de combinatie van een valinebeperkt dieet en PARP-remmers kan worden gebruikt als een nieuwe strategie voor de behandeling van kanker.