Aminosyrer er de grunnleggende komponentene i proteiner og viktige komponenter i menneskelig vev, og spiller rollen som cellesignaloverf?ring, enzymaktivitetsregulering, immunfunksjon og andre fysiologiske funksjoner.

Forekomsten av aminosyrer i cellene endres ofte i forskjellige fysiologiske og patologiske tilstander. Derfor er hvordan kroppen registrerer endringen av aminosyreniv? og gj?r en adaptiv respons et viktig vitenskapelig problem med metabolsk stress og celleskjebne.

Unormal aminosyref?ling er n?rt knyttet til kreft, diabetes, nevrodegenerative sykdommer og aldringsprosesser. Derfor kan ? utforske den molekyl?re mekanismen for unormal aminosyreinduksjon gi et nytt m?l for forebygging eller behandling av metabolske sykdommer og kreft. Valin, som en essensiell forgrenet aminosyre, spiller en viktig rolle i proteinsyntese, nevroatferd og leukemiprogresjon. Mekanismen og funksjonen til cellul?r sensing av valin er imidlertid fortsatt uklar.

Den 20. november 2024 publiserte Wang Pings team fra Tongji University School of Medicine / 10th Affiliated People's Hospital en forskningsartikkel med tittelen "Human HDAC6 senses valine abundancy to regulate DNA damage" i tidsskriftet Nature.

Denne studien identifiserte en ny valinspesifikk sensor, human deacetylase HDAC6, og avsl?rte den spesifikke mekanismen som valinbegrensning f?rer til kjernefysisk translokasjon av HDAC6, og derved forbedre TET2-aktiviteten og indusere DNA-skade.

Interessant nok er denne sansemekanismen unik for primater, og ytterligere mekanismeanalyse avsl?rte at primat HDAC6 inneholder et spesifikt serinrikt glutamat-tetranektid (SE14) gjentatt domene og registrerer overflod av valin gjennom dette domenet. N?r det gjelder tumorbehandling, kan moderat valinrestriksjon eller kombinasjon av PARP-hemmere effektivt hemme tumorvekst.

Denne studien avsl?rer en ny mekanisme der ern?ringsstress regulerer DNA-skader gjennom epigenetisk modifikasjon, og foresl?r en ny strategi for tumorbehandling med valinbegrenset diett kombinert med PARP-hemmere.

Aminosyresensorer trenger vanligvis ? kombinere aminosyrer for ? gjenkjenne og reagere p? endringer i aminosyrekonsentrasjonen i og utenfor cellen, for ? utf?re sin sansefunksjon.

For systematisk ? identifisere valinbindende proteiner, ble biotinylerte valinprober brukt til immunkopresipitateksperimenter kombinert med massespektrometri, og objektiv screening av valinbindende proteiner ble utf?rt av kjemisk biologi.

Forfatterne fant at i tillegg til de kjente valyl-tRNA-syntetasene (VARS), viste deacetylase HDAC6 en sterkere D-valin-bindingskapasitet sammenlignet med VARS. Forfatterne bekreftet videre at HDAC6 direkte kan binde valin med en affinitet p? Kd ≈ 2μM gjennom isotopbindingseksperimenter, isotermisk titreringskalorimetri (ITC) eksperimenter og termiske drifteksperimenter. Analysen av de strukturelle egenskapene til aminosyrer gjenkjent av sanseproteiner er nyttig for ? forst? den molekyl?re mekanismen til endringen av aminosyreoverflod indusert av celler. Ved ? analysere bindingsfors?kene til valinanaloger fant forfatterne at HDAC6 gjenkjenner karboksylterminalen og sidekjeden til valin og kan tolerere den aminoterminale modifikasjonen. I tillegg, i HDAC6 knockout-celler, var reguleringen av mTOR-signalveien ved valinrestriksjon ikke signifikant forskjellig fra kontrollgruppen, noe som tyder p? at denne bindingen var forskjellig fra den tradisjonelle aminosyresensing-signalveien.

For ? utforske det viktige domenet og funksjonen til HDAC6 sensing valin. Forfatterne bestemte videre at HDAC6 binder valin gjennom SE14-domenet gjennom HDAC6-trunkerte kroppsbindingseksperimentet. Overraskende nok fant forfatterne ved homologisk sammenligning at SE14-domenet bare er tilstede i HDAC6 hos primater. I motsetning til primat (menneske og ape) HDAC6, binder ikke mus HDAC6 seg til valin. Dette funnet avsl?rer forskjellene mellom forskjellige arter i valin-induksjon, noe som antyder at artsutvikling spiller en viktig rolle i aminosyreinduksjon.

Basert p? konklusjonen om at HDAC6 binder valin direkte gjennom SE14-domenet, spekulerte forfatterne i at endringer i bindingsstyrken til HDAC6 og valin kan p?virke strukturen og funksjonen n?r forekomsten av valin i cellene endres. Gjennom en serie eksperimenter og kombinert med litteraturen om den viktige rollen til SE14-domenet i cytoplasmatisk retensjon av HDAC6, fant forfatterne at intracellul?r valinmangel kan indusere HDAC6-translokasjon til kjernen. Enzymets aktive region (DAC1 og DAC2) binder seg til den aktive regionen (CD-domenet) av DNA-hydroksymetylase TET2, fremmer deacetyleringen av TET2 og aktiverer deretter enzymaktiviteten. Ved ? bruke methylomics-teknikker som WGBS, ACE-Seq og MAB-Seq, bekreftet vi videre at intracellul?r valinsult kan fremme aktiv DNA-demetylering gjennom HDAC6-TET2-signalaksen. Tidligere fant Andre Nussenzweigs team at tymin-DNA-glykosylase (TDG)-avhengig aktiv DNA-demetylering resulterte i DNA-enkeltr?dskade p? nevronal forsterker. Ved ? kombinere TET2 ChIP-Seq med high-throughput sekvenseringsteknologi END-Seq og ddC S1 END-Seq, bestemte vi at valinmangel fremmer DNA-skade. DNA-skaden indusert av valinmangel er ogs? avhengig av enkelttr?dskaden for?rsaket av TDG-eksisjon av oksymetylcytosin (5fC/5caC).

Til sammen oppdaget forfatterne nye valinsensorer og belyste for f?rste gang den molekyl?re mekanismen som valin begrenser induksjonen av DNA-skade via HDAC6-TET2-TDG-signalaksen, og tilf?rer en ny dimensjon til forst?elsen av funksjonen til aminosyrestress i celleskjebnebestemmelse.

Kostholdsbegrensninger eller m?lretting av aminosyremetabolisme og sensing har blitt en tilleggsstrategi for livsforlengelse og behandling av mange sykdommer, inkludert kreft. Gitt at valindeprivasjon kan indusere DNA-skade, unders?kte forfatterne videre om valinbegrensning spiller en rolle i kreftbehandling. I en xenograft-tumormodell for kolorektal kreft hemmet en passende valinbegrenset diett (0,41 % valin, vekt/vekt) signifikant tumorvekst med f?rre bivirkninger. I b?de forebyggings- og behandlingsgruppene viste forfatterne videre at et valinbegrenset kosthold hemmet tumorgenese og progresjon ved bruk av en PDX-modell for kolorektal kreft. I tumorpr?ver var reduserte valinniv?er positivt korrelert med ?kte HDAC6-kjernetranslokasjoner, 5hmC-niv?er og DNA-skade. Siden indusering av DNA-skade er en kreftbehandling, er det klinisk mulig ? blokkere DNA-reparasjon ved ? bruke PARP-hemmere. Forfatterne fant at kombinasjonen av valinbegrenset diett og PARP-hemmeren talazoparib betydelig forbedret antitumoreffekten, og ga sterke bevis for terapien for ? behandle kreft ved ? indusere DNA-skade.

Som konklusjon fant studien at HDAC6 hos primater er et nytt valin-sensing-protein uavhengig av tradisjonelle sensorer, og avsl?rer forskjeller i valin-sensing blant forskjellige arter, noe som indikerer den viktige rollen til biologisk evolusjon i aminosyre-sensing.

I tillegg belyser denne studien en ny mekanisme for interaktiv regulering av ern?ringsmessig metabolsk stress, epigenetisk regulering og DNA-skade, utvider betydningen av ern?ringsmessig metabolsk stress i stressbiologi, og finner at kombinasjonen av valinbegrenset diett og PARP-hemmere kan brukes som en ny strategi for kreftbehandling.