Aminokisline so osnovne sestavine beljakovin in pomembne sestavine ?love?kih tkiv, saj igrajo vlogo pri prenosu celi?nih signalov, uravnavanju aktivnosti encimov, delovanju imunskega sistema in drugih fiziolo?kih funkcijah.

Koli?ina aminokislin v celicah se pogosto spreminja v razli?nih fiziolo?kih in patolo?kih stanjih. Zato je pomemben znanstveni problem presnovnega stresa in usode celic, kako telo zazna spremembo ravni aminokislin in se nanjo odzove.

Nenormalno zaznavanje aminokislin je tesno povezano z rakom, sladkorno boleznijo, nevrodegenerativnimi boleznimi in procesom staranja. Zato bi lahko raziskovanje molekularnega mehanizma indukcije nenormalnih aminokislin ponudilo novo tar?o za prepre?evanje ali zdravljenje presnovnih bolezni in raka. Valin kot esencialna aminokislina z razvejano verigo igra pomembno vlogo pri sintezi beljakovin, nevrovedenju in napredovanju levkemije. Vendar pa mehanizem in funkcija celi?nega zaznavanja valina ostajata nejasna.

20. novembra 2024 je ekipa Wang Pinga z Medicinske fakultete Univerze Tongji / 10. pridru?ene ljudske bolni?nice v reviji Nature objavila raziskovalni ?lanek z naslovom "?love?ki HDAC6 zaznava ?tevil?nost valina za uravnavanje po?kodb DNK".

Ta ?tudija je identificirala nov senzor, specifi?en za valin, humano deacetilazo HDAC6, in razkrila specifi?en mehanizem, s katerim restrikcija valina vodi do jedrne translokacije HDAC6, s ?imer se pove?a aktivnost TET2 in povzro?i po?kodba DNK.

Zanimivo je, da je ta mehanizem zaznavanja edinstven za primate, nadaljnja analiza mehanizma pa je pokazala, da HDAC6 pri primatih vsebuje specifi?no ponavljajo?o se domeno glutamata-tetranektida (SE14), bogato s serinom, in zaznava koli?ino valina prek te domene. Pri zdravljenju tumorjev lahko zmerna omejitev valina ali kombinacija zaviralcev PARP u?inkovito zavira rast tumorja.

Ta ?tudija razkriva nov mehanizem, s katerim prehranski stres uravnava po?kodbe DNK z epigenetsko modifikacijo, in predlaga novo strategijo za zdravljenje tumorjev z dieto z omejenim vnosom valina v kombinaciji z zaviralci PARP.

Senzorji aminokislin morajo obi?ajno kombinirati aminokisline, da bi prepoznali in se odzvali na spremembe v koncentraciji aminokislin znotraj in zunaj celice, da bi lahko opravljali svojo senzorsko funkcijo.

Za sistemati?no identifikacijo proteinov, ki ve?ejo valin, so bile za imunokoprecipitacijske poskuse v kombinaciji z masno spektrometrijo uporabljene biotinilirane valinske sonde, nepristransko presejanje proteinov, ki ve?ejo valin, pa je bilo izvedeno s kemijsko biologijo.

Avtorji so ugotovili, da je deacetilaza HDAC6 poleg znanih valil tRNA sintetaz (VARS) pokazala mo?nej?o vezavno sposobnost D-valina v primerjavi z VARS. Avtorji so nadalje potrdili, da se HDAC6 lahko neposredno ve?e na valin z afiniteto Kd ≈ 2μM z izotopskimi vezavnimi poskusi, izotermno titracijsko kalorimetrijo (ITC) in termi?nim driftom. Analiza strukturnih zna?ilnosti aminokislin, ki jih prepoznajo zaznavne beljakovine, je koristna za nadaljnje razumevanje molekularnega mehanizma spremembe koli?ine aminokislin, ki jo povzro?ajo celice. Z analizo vezavnih poskusov analogov valina so avtorji ugotovili, da HDAC6 prepozna karboksilni terminal in stransko verigo valina ter lahko prena?a modifikacijo amino terminala. Poleg tega se v celicah z izlo?itvijo HDAC6 regulacija signalne poti mTOR z restrikcijo valina ni bistveno razlikovala od regulacije kontrolne skupine, kar ka?e na to, da se ta vezava razlikuje od tradicionalne signalne poti zaznavanja aminokislin.

Da bi raziskali pomembno domeno in funkcijo zaznavanja valina s strani HDAC6, so avtorji nadalje ugotovili, da se HDAC6 ve?e na valin preko svoje domene SE14 s pomo?jo eksperimenta vezave s okrnjenim telescem HDAC6. Presenetljivo so avtorji s primerjavo homologije ugotovili, da je domena SE14 prisotna le v HDAC6 pri primatih. Za razliko od HDAC6 pri primatih (?loveku in opici) se mi?ji HDAC6 ne ve?e na valin. Ta ugotovitev razkriva razlike med razli?nimi vrstami pri indukciji valina, kar ka?e na to, da ima evolucija vrst pomembno vlogo pri indukciji aminokislin.

Na podlagi sklepa, da se HDAC6 neposredno ve?e na valin prek svoje domene SE14, so avtorji domnevali, da lahko spremembe v vezavni mo?i HDAC6 in valina vplivajo na njegovo strukturo in delovanje, ko se spremeni koli?ina valina v celicah. Z vrsto poskusov in v kombinaciji z literaturo o pomembni vlogi domene SE14 pri citoplazemski retenciji HDAC6 so avtorji ugotovili, da lahko znotrajceli?no pomanjkanje valina povzro?i premestitev HDAC6 v jedro. Aktivna regija encima (DAC1 in DAC2) se ve?e na aktivno regijo (domena CD) DNA hidroksimetilaze TET2, kar spodbuja deacetilacijo TET2 in nato aktivira njegovo encimsko aktivnost. Z uporabo metilomskih tehnik, kot so WGBS, ACE-Seq in MAB-Seq, smo dodatno potrdili, da lahko znotrajceli?no pomanjkanje valina spodbuja aktivno demetilacijo DNA prek signalne osi HDAC6-TET2. Pred tem je ekipa Andreja Nussenzweiga ugotovila, da aktivna demetilacija DNA, odvisna od timinske DNA glikozilaze (TDG), povzro?i po?kodbo enojne verige DNA na nevronskem oja?evalcu. Z zdru?itvijo TET2 ChIP-Seq z visokozmogljivo tehnologijo sekvenciranja END-Seq in ddC S1 END-Seq smo ugotovili, da pomanjkanje valina spodbuja po?kodbe DNK. Po?kodba DNK, ki jo povzro?i pomanjkanje valina, je odvisna tudi od po?kodbe enojne verige, ki jo povzro?i izrezovanje oksimetilcitozina (5fC/5caC) s TDG.

Avtorji so skupaj odkrili nove senzorje valina in prvi? pojasnili molekularni mehanizem, s katerim valin omejuje indukcijo po?kodb DNK preko signalne osi HDAC6-TET2-TDG, s ?imer so dodali novo dimenzijo razumevanju funkcije aminokislinskega stresa pri dolo?anju usode celic.

Omejitev prehrane ali ciljanje na presnovo in zaznavanje aminokislin je postala dodatna strategija za podalj?evanje ?ivljenja in zdravljenje ?tevilnih bolezni, vklju?no z rakom. Glede na to, da lahko pomanjkanje valina povzro?i po?kodbo DNK, so avtorji nadalje raziskali, ali ima omejitev valina vlogo pri zdravljenju raka. V modelu ksenografskega tumorja kolorektalnega raka je ustrezna dieta z omejenim vnosom valina (0,41 % valina, m/m) znatno zavrla rast tumorja z manj stranskimi u?inki. Tako v skupini za prepre?evanje kot v skupini za zdravljenje so avtorji nadalje dokazali, da dieta z omejenim vnosom valina zavira tumorogenezo in napredovanje tumorjev z uporabo modela PDX kolorektalnega raka. V vzorcih tumorjev so bile zni?ane ravni valina pozitivno povezane s pove?animi jedrnimi translokacijami HDAC6, ravnmi 5hmC in po?kodbami DNK. Ker je povzro?anje po?kodb DNK terapija proti raku, je klini?no mogo?e blokirati popravilo DNK z uporabo zaviralcev PARP. Avtorji so ugotovili, da je kombinacija diete z omejenim vnosom valina in zaviralca PARP talazopariba znatno okrepila protitumorski u?inek, kar zagotavlja mo?an dokaz za terapijo za zdravljenje raka z povzro?anjem po?kodb DNK.

Skratka, ?tudija je pokazala, da je HDAC6 pri primatih nov protein za zaznavanje valina, neodvisen od tradicionalnih senzorjev, kar razkriva razlike v zaznavanju valina med razli?nimi vrstami, kar ka?e na pomembno vlogo biolo?ke evolucije pri zaznavanju aminokislin.

Poleg tega ta ?tudija pojasnjuje nov mehanizem interaktivne regulacije prehranskega metabolnega stresa, epigenetske regulacije in po?kodb DNK, ?iri pomen prehranskega metabolnega stresa v biologiji stresa in ugotavlja, da se lahko kombinacija diete z omejenim vnosom valina in zaviralcev PARP uporabi kot nova strategija za zdravljenje raka.