Aminokwasy s? podstawowymi sk?adnikami bia?ek i wa?nymi sk?adnikami tkanek ludzkich. Odgrywaj? rol? w przekazywaniu sygna?ów komórkowych, regulacji aktywno?ci enzymów, funkcjonowaniu uk?adu odporno?ciowego i innych funkcjach fizjologicznych.

Obfito?? aminokwasów w komórkach cz?sto zmienia si? w ró?nych stanach fizjologicznych i patologicznych. Dlatego te?, w jaki sposób organizm wyczuwa zmian? poziomu aminokwasów i tworzy reakcj? adaptacyjn?, jest wa?nym problemem naukowym stresu metabolicznego i losu komórki.

Nieprawid?owe wykrywanie aminokwasów jest ?ci?le zwi?zane z rakiem, cukrzyc?, chorobami neurodegeneracyjnymi i procesem starzenia. Dlatego te? badanie molekularnego mechanizmu nieprawid?owej indukcji aminokwasów mo?e stanowi? nowy cel w zapobieganiu lub leczeniu chorób metabolicznych i raka. Walina, jako niezb?dny aminokwas rozga??ziony, odgrywa wa?n? rol? w syntezie bia?ek, neurobehawioryzmie i progresji bia?aczki. Jednak mechanizm i funkcja komórkowego wykrywania waliny pozostaj? niejasne.

20 listopada 2024 r. zespó? Wang Pinga z Wydzia?u Medycznego Uniwersytetu Tongji / 10. Szpitala Ludowego opublikowa? w czasopi?mie Nature artyku? badawczy zatytu?owany ?Ludzki HDAC6 wyczuwa obfito?? waliny, aby regulowa? uszkodzenia DNA”.

W badaniu tym zidentyfikowano nowy, specyficzny dla waliny czujnik – ludzk? deacetylaz? HDAC6 – i ujawniono specyficzny mechanizm, poprzez który ograniczenie waliny prowadzi do translokacji j?drowej HDAC6, zwi?kszaj?c w ten sposób aktywno?? TET2 i indukuj?c uszkodzenia DNA.

Co ciekawe, ten mechanizm wykrywania jest unikalny dla naczelnych, a dalsza analiza mechanizmu wykaza?a, ?e ??HDAC6 naczelnych zawiera specyficzn?, bogat? w seryn? domen? powtórzeń glutaminianu-tetranektydu (SE14) i wyczuwa obfito?? waliny przez t? domen?. W kontek?cie leczenia guza umiarkowane ograniczenie waliny lub po??czenie inhibitorów PARP mo?e skutecznie hamowa? wzrost guza.

W badaniu tym odkryto nowy mechanizm, w którym stres ?ywieniowy reguluje uszkodzenia DNA poprzez modyfikacj? epigenetyczn?, i zaproponowano now? strategi? leczenia nowotworu z zastosowaniem diety z ograniczeniem waliny w po??czeniu z inhibitorami PARP.

Czujniki aminokwasów zazwyczaj musz? ??czy? aminokwasy, aby rozpoznawa? i reagowa? na zmiany w st??eniu aminokwasów wewn?trz i na zewn?trz komórki, by móc pe?ni? swoj? funkcj? czujnikow?.

W celu systematycznej identyfikacji bia?ek wi???cych walin?, do eksperymentów z immunoprecypitatem w po??czeniu ze spektrometri? masow? zastosowano biotynylowane sondy walinowe, a nast?pnie przeprowadzono obiektywne badanie przesiewowe bia?ek wi???cych walin? za pomoc? chemii biologicznej.

Autorzy odkryli, ?e oprócz znanych syntetaz valyl tRNA (VARS), deacetylaza HDAC6 wykaza?a silniejsz? zdolno?? wi?zania D-waliny w porównaniu z VARS. Autorzy potwierdzili ponadto, ?e HDAC6 mo?e bezpo?rednio wi?za? walin? z powinowactwem Kd ≈ 2μM poprzez eksperymenty wi?zania izotopowego, eksperymenty kalorymetrii miareczkowania izotermicznego (ITC) i eksperymenty dryfu termicznego. Analiza cech strukturalnych aminokwasów rozpoznawanych przez bia?ka wykrywaj?ce jest pomocna w dalszym zrozumieniu mechanizmu molekularnego zmiany obfito?ci aminokwasów indukowanej przez komórki. Analizuj?c eksperymenty wi?zania analogów waliny, autorzy odkryli, ?e HDAC6 rozpoznaje karboksylowy koniec i ?ańcuch boczny waliny i mo?e tolerowa? modyfikacj? aminokońcow?. Ponadto w komórkach z wyci?tym genem HDAC6 regulacja szlaku sygna?owego mTOR przez ograniczenie waliny nie ró?ni?a si? istotnie od regulacji w grupie kontrolnej, co sugeruje, ?e to wi?zanie ró?ni?o si? od tradycyjnego szlaku sygna?owego wykrywaj?cego aminokwasy.

Aby zbada? wa?n? domen? i funkcj? HDAC6 wyczuwaj?c? walin?. Autorzy ustalili ponadto, ?e HDAC6 wi??e walin? przez swoj? domen? SE14 poprzez eksperyment wi?zania obci?tego cia?a HDAC6. Co zaskakuj?ce, autorzy odkryli poprzez porównanie homologii, ?e domena SE14 jest obecna w HDAC6 tylko u naczelnych. W przeciwieństwie do naczelnych (cz?owieka i ma?py) HDAC6, mysi HDAC6 nie wi??e si? z walin?. To odkrycie ujawnia ró?nice mi?dzy ró?nymi gatunkami w indukcji waliny, co sugeruje, ?e ewolucja gatunków odgrywa wa?n? rol? w indukcji aminokwasów.

Opieraj?c si? na wniosku, ?e HDAC6 bezpo?rednio wi??e walin? poprzez swoj? domen? SE14, autorzy spekulowali, ?e zmiany w sile wi?zania HDAC6 i waliny mog? wp?ywa? na jej struktur? i funkcj?, gdy zmienia si? obfito?? waliny w komórkach. Poprzez seri? eksperymentów i w po??czeniu z literatur? na temat wa?nej roli domeny SE14 w retencji cytoplazmatycznej HDAC6, autorzy odkryli, ?e wewn?trzkomórkowy niedobór waliny mo?e indukowa? translokacj? HDAC6 do j?dra. Aktywny region enzymu (DAC1 i DAC2) wi??e si? z aktywnym regionem (domen? CD) hydroksymetylazy DNA TET2, promuj?c deacetylacj? TET2, a nast?pnie aktywuj?c jej aktywno?? enzymatyczn?. Stosuj?c techniki metylomiczne, takie jak WGBS, ACE-Seq i MAB-Seq, potwierdzili?my ponadto, ?e wewn?trzkomórkowe g?odowanie waliny mo?e promowa? aktywn? demetylacj? DNA poprzez o? sygna?ow? HDAC6-TET2. Wcze?niej zespó? Andre Nussenzweiga odkry?, ?e zale?na od tyminy DNA glikozylaza (TDG) aktywna demetylacja DNA skutkowa?a uszkodzeniem pojedynczego ?ańcucha DNA na wzmacniaczu neuronalnym. ??cz?c TET2 ChIP-Seq z technologi? sekwencjonowania o wysokiej przepustowo?ci END-Seq i ddC S1 END-Seq, ustalili?my, ?e niedobór waliny sprzyja uszkodzeniom DNA. Uszkodzenie DNA wywo?ane niedoborem waliny jest równie? zale?ne od uszkodzenia pojedynczego ?ańcucha spowodowanego wyci?ciem TDG oksymetylocytozyny (5fC/5caC).

??cznie autorzy odkryli nowe czujniki waliny i po raz pierwszy wyja?nili mechanizm molekularny, poprzez który walina ogranicza indukcj? uszkodzeń DNA poprzez o? sygna?ow? HDAC6-TET2-TDG, co poszerza wiedz? na temat funkcji stresu aminokwasowego w determinacji losu komórki.

Ograniczenie diety lub ukierunkowanie metabolizmu aminokwasów i wykrywania sta?o si? strategi? wspomagaj?c? wyd?u?anie ?ycia i leczenie wielu chorób, w tym raka. Bior?c pod uwag?, ?e pozbawienie waliny mo?e wywo?a? uszkodzenie DNA, autorzy zbadali dalej, czy ograniczenie waliny odgrywa rol? w leczeniu raka. W modelu ksenoprzeszczepu raka jelita grubego odpowiednia dieta z ograniczeniem waliny (0,41% waliny, w/w) znacz?co zahamowa?a wzrost guza przy mniejszej liczbie skutków ubocznych. W obu grupach zapobiegawczej i leczonej autorzy wykazali ponadto, ?e dieta z ograniczeniem waliny zahamowa?a tumorigenez? i progresj? przy u?yciu modelu PDX raka jelita grubego. W próbkach guza obni?one poziomy waliny by?y dodatnio skorelowane ze zwi?kszonymi translokacjami j?drowymi HDAC6, poziomami 5hmC i uszkodzeniem DNA. Poniewa? indukowanie uszkodzeń DNA jest terapi? przeciwnowotworow?, klinicznie mo?liwe jest zablokowanie naprawy DNA przy u?yciu inhibitorów PARP. Autorzy odkryli, ?e po??czenie diety z ograniczeniem waliny i inhibitora PARP, talazoparybu, znacznie zwi?kszy?o dzia?anie przeciwnowotworowe, dostarczaj?c mocnych dowodów na skuteczno?? terapii w leczeniu raka poprzez wywo?ywanie uszkodzeń DNA.

Podsumowuj?c, badanie wykaza?o, ?e HDAC6 u naczelnych jest nowym bia?kiem wykrywaj?cym walin?, niezale?nym od tradycyjnych czujników, ujawniaj?c ró?nice w wykrywaniu waliny u ró?nych gatunków i wskazuj?c na wa?n? rol? ewolucji biologicznej w wykrywaniu aminokwasów.

Ponadto badanie to wyja?nia nowy mechanizm interaktywnej regulacji stresu metabolicznego zwi?zanego z od?ywianiem, regulacji epigenetycznej i uszkodzeń DNA, zwi?ksza znaczenie stresu metabolicznego zwi?zanego z od?ywianiem w biologii stresu i wykazuje, ?e po??czenie diety z ograniczeniem waliny i inhibitorów PARP mo?e by? stosowane jako nowa strategia leczenia raka.