氨基酸是維持機體正常生理活動的重要營養(yǎng)物質，其調控異?？蓪е掳┌Y、衰老及代謝相關性疾病等。因此，氨基酸飲食療法和藥物靶向氨基酸代謝/感應已成為延長生命、治療癌癥等多種疾病的潛在手段。一般而言，氨基酸可通過代謝和感應兩種方式調控細胞的正常生命活動。在氨基酸感應調控中，氨基酸直接與特定感應器結合是進化過程中一種更為簡單、直接的調控方式。因此，探尋氨基酸感應機制、鑒定氨基酸感應器有利于解析細胞生命活動和疾病演變規(guī)律，為疾病治療提供潛在靶點。
纈氨酸是一種必需的支鏈氨基酸，其在蛋白質合成、神經行為、白血病進展中發(fā)揮著重要的作用。纈氨酸飲食限制療法也被認為有利于急性淋巴細胞白血病等非實體腫瘤和脂肪肝等代謝性疾病的治療。然而，纈氨酸是否存在特異性的感應器及其調控癌癥、代謝性疾病的機制尚不清楚。此外，如何避免纈氨酸飲食限制所引起的副反應也是臨床應用該療法所需關注的重要問題。
2024年11月20日24時，同濟大學醫(yī)學院/附屬第十人民醫(yī)院王平團隊在 Nature 期刊發(fā)表了題為：Human HDAC6 senses valine abundancy to regulate DNA damage 的研究論文【1】。
該研究發(fā)現(xiàn)了一個全新的纈氨酸特異性感應器——人源去乙酰化酶HDAC6。機制方面，纈氨酸限制可導致HDAC6核轉位，進而增強TET活性，誘導DNA損傷。值得注意的是，該感應機制是靈長類所特有的，靈長類HDAC6含有一段特有的富含絲氨酸-谷氨酸十四肽（SE14）重復結構域，并通過該結構域感應纈氨酸豐度。在腫瘤的治療方面，適宜劑量的纈氨酸限制單獨或聯(lián)合PARP抑制劑，可有效抑制腫瘤的生長。
綜上所述，該研究揭示了營養(yǎng)應激通過表觀遺傳修飾調控DNA損傷的全新機制，并提出纈氨酸限制性飲食聯(lián)合PARP抑制劑的腫瘤治療新策略。
氨基酸感應器通常需結合氨基酸，從而識別并響應細胞內外的氨基酸濃度變化，發(fā)揮其感應功能。為系統(tǒng)性鑒定纈氨酸結合蛋白，研究團隊利用生物素化修飾的纈氨酸探針進行免疫共沉淀實驗并結合質譜分析，利用化學生物學無偏差篩選纈氨酸結合蛋白。研究團隊發(fā)現(xiàn)，除已知的纈氨酰tRNA合成酶（VARS）外，去乙酰化酶HDAC6相較于VARS，顯示出更強的纈氨酸結合能力。進一步利用同位素結合實驗、等溫滴定量熱（ITC）實驗及熱漂移等實驗，研究團隊確定了HDAC6能夠直接結合纈氨酸，其親和力為Kd≈2μM。解析感應蛋白識別氨基酸的結構特征，有助于深入理解細胞感應氨基酸豐度變化的分子機制。研究團隊通過分析纈氨酸類似物的結合實驗發(fā)現(xiàn)，HDAC6識別纈氨酸的羧基端和側鏈，能夠容忍氨基端修飾。此外，在HDAC6敲除細胞中，限制纈氨酸對mTOR信號通路的調控較對照組無明顯差異，提示這一結合區(qū)別于傳統(tǒng)的氨基酸感應信號通路。
為了探究HDAC6感應纈氨酸的重要結構域及其功能。研究團隊通過HDAC6截斷體結合實驗，確定HDAC6通過其SE14結構域與纈氨酸發(fā)生結合。令人驚訝的是，通過同源性比對發(fā)現(xiàn)，SE14結構域僅存在于靈長類的HDAC6中。有別于靈長類（人和猴子）的HDAC6，鼠的HDAC6并不能與纈氨酸發(fā)生結合。這一發(fā)現(xiàn)揭示了不同物種在纈氨酸感應中的差異性，提示了物種進化在氨基酸感應中的重要作用。
基于HDAC6通過其SE14結構域直接結合纈氨酸這一結果，作者推測當細胞內纈氨酸豐度發(fā)生變化時，HDAC6與纈氨酸的結合強弱可能影響其結構及功能。通過一系列的實驗探究及SE14結構域在HDAC6胞質滯留中作用的相關報道，研究團隊發(fā)現(xiàn)，細胞內纈氨酸的匱乏能夠誘導HDAC6轉位至細胞核，其酶活區(qū)域（DAC1和DAC2）與DNA羥甲基化酶TET2的活性區(qū)域（CD結構域）發(fā)生結合，促進TET2發(fā)生去乙?；せ钇涿富钚?。作者通過WGBS、ACE-Seq和MAB-Seq等甲基化組學技術，進一步證實了細胞內纈氨酸饑餓，能夠通過HDAC6-TET2信號軸，促進DNA主動去甲基化。之前有研究發(fā)現(xiàn)神經元中 DNA單鏈損傷來源于TDG依賴的DNA主動去甲基化。該研究通過TET2 ChIP-Seq結合檢測DNA損傷的高通量測序技術END-Seq和ddC S1 END-Seq等實驗方法，確定纈氨酸匱乏促進DNA損傷。纈氨酸匱乏誘導的DNA損傷同樣也依賴于胸腺嘧啶DNA糖基化酶（TDG）的氧化甲基胞嘧啶（5fC/5caC）所產生的單鏈損傷。
綜上所述，該研究發(fā)現(xiàn)了全新的纈氨酸感應器，并首次闡明了纈氨酸限制通過HDAC6-TET2-TDG信號軸誘導DNA損傷的分子機制，為理解氨基酸應激決定細胞命運的功能增加了一個新的維度。
飲食限制或者靶向氨基酸代謝和感應已成為延長壽命和癌癥等多種疾病治療的輔助策略。前期關于纈氨酸剝奪療法雖然在非實體腫瘤和脂肪肝等疾病中起到了一定的治療效果，但是由于必需氨基酸確實所引起的副作用也引起了關注。
鑒于纈氨酸剝奪能夠促進DNA損傷，研究團隊進一步研究了纈氨酸限制在實體腫瘤癌癥中的效果。在結直腸癌異種移植瘤模型中，研究團隊選擇了不同纈氨酸限制飲食的方案，該濃度的纈氨酸限制（0.41%纈氨酸，w/w）可顯著抑制腫瘤生長，同時副作用較小。在預防組和治療組中，研究團隊利用結直腸癌PDX模型進一步證實了限制纈氨酸飲食可抑制腫瘤的發(fā)生與發(fā)展。在腫瘤樣本中，纈氨酸水平的降低與HDAC6核易位、5hmC水平和DNA損傷程度的增加呈正相關。由于誘導DNA損傷是一種抗癌療法，在臨床上可以通過使用PARP抑制劑阻斷DNA修復。研究團隊發(fā)現(xiàn)纈氨酸限制性飲食和PARP抑制劑（talazoparib）聯(lián)合治療顯著增強抗腫瘤效果，這為該療法通過誘導DNA損傷治療癌癥提供了有力的證據(jù)。
總的來說，該研究發(fā)現(xiàn)，靈長類動物的HDAC6是一種不依賴于傳統(tǒng)感應器的全新纈氨酸感應蛋白，揭示不同物種在纈氨酸感應中的差異性，表明生物進化在氨基酸感應中的重要作用。此外，該研究還闡明了營養(yǎng)代謝應激、表觀遺傳調控與DNA損傷交互調控的新機制，拓寬了營養(yǎng)代謝應激在應激生物學中的重要性，并發(fā)現(xiàn)纈氨酸限制性飲食與PARP抑制劑聯(lián)合應用可作為癌癥治療的新策略。
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2024年1月31日，同濟大學醫(yī)學院/附屬第十人民醫(yī)院王平教授團隊（李亞旭、冉巧、段秋慧、金佳麗為共同第一作者）在 Nature 期刊發(fā)表了題為：7-Dehydrocholesterol dictates ferroptosis sensitivity 的研究論文【2】。
該研究發(fā)現(xiàn)并揭示了遠端膽固醇合成通路關鍵酶通過調控7-脫氫膽固醇（7-DHC）的水平來調控鐵死亡敏感性的機制，表明了通過藥物調控7-DHC水平，是一種有前途的治療癌癥和缺血再灌注損傷的新策略。
詳細介紹：國內首篇鐵死亡研究Nature論文：同濟大學王平團隊揭示膽固醇前體決定鐵死亡敏感性
同濟大學醫(yī)學院/附屬第十人民醫(yī)院王平教授為論文通訊作者，同濟大學醫(yī)學院/附屬第十人民醫(yī)院金佳麗研究員、上海市第一人民醫(yī)院孟通副主任醫(yī)師、同濟大學生命科學學院博士生俞媛媛和中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心博士后吳樹恒為該論文共同第一作者。
該研究得到了同濟大學生命科學學院江賜忠教授、中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心吳薇研究員、耶魯大學吳殿青教授、同濟大學醫(yī)學院袁健教授、同濟大學生命科學學院薛劍煌教授/王子昕、華東師范大學陳益華教授和沈陽藥科大學曹昊教授等團隊的合作和支持。此外，中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心徐國良教授、裴鋼教授和周小龍研究員、美國國立衛(wèi)生院癌癥研究中心（NIH/NCI）André Nussenzweig教授、斯隆凱特琳癌癥中心姜學軍教授、同濟大學戈寶學教授、劉海鵬教授、章小清教授、徐艷萍教授、中山大學岳家興副研究員、復旦大學附屬腫瘤醫(yī)院單澤志博士及中科院藥物所周虎教授/高婧老師等為本研究提供了指導，上海國家蛋白質科學研究中心（NFPS）提供平臺支持。該研究獲得了國家自然科學基金委國際合作項目、重點項目以及科技部國家重點研發(fā)計劃等項目的資助。王平教授長期致力于腫瘤微環(huán)境基礎與轉化研究，圍繞腫瘤代謝和免疫微環(huán)境的調控機制尋找新靶點，開發(fā)腫瘤干預新策略，以通訊作者在Nature (2024a, 2024b)，Cancer Cell（2023，2018），Immunity，Molecular Cell，Cell Research，Developmental Cell，J Clin Invest等國際主流雜志發(fā)表論著50余篇。課題組長期招聘博士后、副/助理研究員等各類工作人員，歡迎有志者加盟！
論文鏈接：
1. https://www.nature.com/articles/s41586-024-08248-5
2. https://www.nature.com/articles/s41586-023-06983-9
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