Аминокислоты являются основными компонентами белков и важными компонентами тканей человека, играя роль в передаче клеточных сигналов, регуляции активности ферментов, иммунной функции и других физиологических функциях.

Содержание аминокислот в клетках часто меняется в различных физиологических и патологических состояниях. Поэтому то, как организм ощущает изменение уровня аминокислот и вырабатывает адаптивный ответ, является важной научной проблемой метаболического стресса и судьбы клеток.

Аномальное восприятие аминокислот тесно связано с раком, диабетом, нейродегенеративными заболеваниями и процессом старения. Поэтому изучение молекулярного механизма аномальной индукции аминокислот может предоставить новую цель для профилактики или лечения метаболических заболеваний и рака. Валин, как незаменимая аминокислота с разветвленной цепью, играет важную роль в синтезе белка, нейроповедении и прогрессировании лейкемии. Однако механизм и функция клеточного восприятия валина остаются неясными.

20 ноября 2024 года группа Ван Пина из Медицинской школы Университета Тунцзи/10-й аффилированной народной больницы опубликовала в журнале Nature исследовательскую работу под названием ?Human HDAC6 определяет избыток валина для регулирования повреждений ДНК?.

В ходе данного исследования был выявлен новый сенсор, специфичный для валина, человеческая деацетилаза HDAC6, а также выявлен специфический механизм, посредством которого ограничение валина приводит к ядерной транслокации HDAC6, тем самым усиливая активность TET2 и вызывая повреждение ДНК.

Интересно, что этот механизм восприятия уникален для приматов, и дальнейший анализ механизма показал, что HDAC6 приматов содержит специфический домен повтора глутамата-тетранектида (SE14), богатый серином, и воспринимает избыток валина через этот домен. С точки зрения лечения опухолей умеренное ограничение валина или комбинация ингибиторов PARP могут эффективно подавлять рост опухоли.

В этом исследовании раскрывается новый механизм, посредством которого пищевой стресс регулирует повреждение ДНК посредством эпигенетической модификации, и предлагается новая стратегия лечения опухолей с помощью диеты с ограничением валина в сочетании с ингибиторами PARP.

Сенсорам аминокислот обычно необходимо объединять аминокислоты, чтобы распознавать и реагировать на изменения концентрации аминокислот внутри и снаружи клетки, выполняя тем самым свою сенсорную функцию.

Для систематической идентификации валин-связывающих белков в экспериментах по иммунопреципитации использовались биотинилированные валиновые зонды в сочетании с масс-спектрометрией, а беспристрастный скрининг валин-связывающих белков проводился методами химической биологии.

Авторы обнаружили, что в дополнение к известным валил-тРНК-синтетазам (VARS) деацетилаза HDAC6 показала более сильную связывающую способность D-валина по сравнению с VARS. Авторы также подтвердили, что HDAC6 может напрямую связывать валин со сродством Kd ≈ 2 мкМ с помощью экспериментов по связыванию изотопов, экспериментов с изотермической титрационной калориметрией (ITC) и экспериментов по тепловому дрейфу. Анализ структурных характеристик аминокислот, распознаваемых сенсорными белками, полезен для дальнейшего понимания молекулярного механизма изменения обилия аминокислот, вызванного клетками. Анализируя эксперименты по связыванию аналогов валина, авторы обнаружили, что HDAC6 распознает карбоксильный конец и боковую цепь валина и может переносить модификацию аминоконца. Кроме того, в клетках с нокаутом HDAC6 регуляция сигнального пути mTOR ограничением валина существенно не отличалась от таковой в контрольной группе, что позволяет предположить, что это связывание отличалось от традиционного сигнального пути сенсора аминокислот.

Для того, чтобы исследовать важный домен и функцию HDAC6, распознающего валин. Авторы далее определили, что HDAC6 связывает валин через свой домен SE14 через эксперимент по связыванию усеченного тела HDAC6. Удивительно, но авторы обнаружили путем сравнения гомологии, что домен SE14 присутствует только в HDAC6 у приматов. В отличие от HDAC6 приматов (человека и обезьяны), HDAC6 у мышей не связывается с валином. Это открытие выявляет различия между разными видами в индукции валина, предполагая, что эволюция видов играет важную роль в индукции аминокислот.

Основываясь на заключении, что HDAC6 напрямую связывает валин через свой домен SE14, авторы предположили, что изменения в прочности связывания HDAC6 и валина могут влиять на его структуру и функцию, когда изменяется обилие валина в клетках. С помощью серии экспериментов и в сочетании с литературой о важной роли домена SE14 в цитоплазматическом удержании HDAC6 авторы обнаружили, что внутриклеточный дефицит валина может вызывать транслокацию HDAC6 в ядро. Активная область фермента (DAC1 и DAC2) связывается с активной областью (домен CD) ДНК-гидроксиметилазы TET2, способствуя деацетилированию TET2, а затем активируя ее ферментативную активность. Используя методы метиломики, такие как WGBS, ACE-Seq и MAB-Seq, мы дополнительно подтвердили, что внутриклеточное голодание валина может способствовать активному деметилированию ДНК через сигнальную ось HDAC6-TET2. Ранее группа Андре Нуссенцвейга обнаружила, что зависимое от тиминовой ДНК-гликозилазы (TDG) активное деметилирование ДНК приводит к одноцепочечному повреждению ДНК на нейрональном энхансере. Объединив TET2 ChIP-Seq с высокопроизводительной технологией секвенирования END-Seq и ddC S1 END-Seq, мы определили, что дефицит валина способствует повреждению ДНК. Повреждение ДНК, вызванное дефицитом валина, также зависит от одноцепочечного повреждения, вызванного вырезанием TDG оксиметилцитозина (5fC/5caC).

В совокупности авторы открыли новые сенсоры валина и впервые объяснили молекулярный механизм, с помощью которого валин ограничивает индукцию повреждения ДНК через сигнальную ось HDAC6-TET2-TDG, добавив новое измерение к пониманию функции аминокислотного стресса в определении судьбы клетки.

Ограничение диеты или нацеливание на метаболизм аминокислот и восприятие стало дополнительной стратегией для продления жизни и лечения многих заболеваний, включая рак. Учитывая, что лишение валина может вызывать повреждение ДНК, авторы дополнительно исследовали, играет ли ограничение валина роль в лечении рака. В модели ксенотрансплантированной опухоли колоректального рака соответствующая диета с ограничением валина (0,41% валина, вес/вес) значительно подавляла рост опухоли с меньшим количеством побочных эффектов. Как в группе профилактики, так и в группе лечения авторы далее продемонстрировали, что диета с ограничением валина подавляла онкогенез и прогрессирование с использованием модели PDX колоректального рака. В образцах опухолей снижение уровня валина положительно коррелировало с увеличением ядерных транслокаций HDAC6, уровнями 5hmC и повреждением ДНК. Поскольку индуцирование повреждения ДНК является противораковой терапией, клинически возможно блокировать восстановление ДНК с помощью ингибиторов PARP. Авторы обнаружили, что сочетание диеты с ограничением валина и ингибитора PARP талазопариба значительно усиливает противоопухолевый эффект, что дает убедительные доказательства того, что данная терапия лечит рак путем индукции повреждения ДНК.

В заключение следует отметить, что исследование показало, что HDAC6 у приматов является новым белком, чувствительным к валину, независимым от традиционных сенсоров, что выявляет различия в чувствительности к валину у разных видов и указывает на важную роль биологической эволюции в чувствительности к аминокислотам.

Кроме того, это исследование проливает свет на новый механизм интерактивной регуляции пищевого метаболического стресса, эпигенетической регуляции и повреждения ДНК, расширяет значение пищевого метаболического стресса в биологии стресса и обнаруживает, что сочетание диеты с ограничением валина и ингибиторов PARP может использоваться в качестве новой стратегии лечения рака.