氨基酸是維持機體正常生理活動(dòng)的重要營(yíng)養物質(zhì)，其調控異常可導致癌癥、衰老及代謝相關(guān)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(cháng)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(guò)代謝和感應兩種方式調控細胞的正常生命活動(dòng)。在氨基酸感應調控中，氨基酸直接與特定感應器結合是進(jìn)化過(guò)程中一種更為簡(jiǎn)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(dòng)和疾病演變規律，為疾病治療提供潛在靶點(diǎn)。

       纈氨酸是一種必需的支鏈氨基酸，其在蛋白質(zhì)合成、神經(jīng)行為、白血病進(jìn)展中發(fā)揮著(zhù)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(shí)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(guān)注的重要問(wèn)題。

       2024年11月20日24時(shí)，同濟大學(xué)醫學(xué)院/附屬第十人民醫院王平團隊在 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)現了一個(gè)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(jìn)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(cháng)類(lèi)所特有的，靈長(cháng)類(lèi)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(guò)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(cháng)。

       綜上所述，該研究揭示了營(yíng)養應激通過(guò)表觀(guān)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(jìn)行免疫共沉淀實(shí)驗并結合質(zhì)譜分析，利用化學(xué)生物學(xué)無(wú)偏差篩選纈氨酸結合蛋白。研究團隊發(fā)現，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(jìn)一步利用同位素結合實(shí)驗、等溫滴定量熱（ITC）實(shí)驗及熱漂移等實(shí)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(guò)分析纈氨酸類(lèi)似物的結合實(shí)驗發(fā)現，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(wú)明顯差異，提示這一結合區別于傳統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(guò)HDAC6截斷體結合實(shí)驗，確定HDAC6通過(guò)其SE14結構域與纈氨酸發(fā)生結合。令人驚訝的是，通過(guò)同源性比對發(fā)現，SE14結構域僅存在于靈長(cháng)類(lèi)的HDAC6中。有別于靈長(cháng)類(lèi)（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)現揭示了不同物種在纈氨酸感應中的差異性，提示了物種進(jìn)化在氨基酸感應中的重要作用。

       基于HDAC6通過(guò)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(shí)，HDAC6與纈氨酸的結合強弱可能影響其結構及功能。通過(guò)一系列的實(shí)驗探究及SE14結構域在HDAC6胞質(zhì)滯留中作用的相關(guān)報道，研究團隊發(fā)現，細胞內纈氨酸的匱乏能夠誘導HDAC6轉位至細胞核，其酶活區域（DAC1和DAC2）與DNA羥甲基化酶TET2的活性區域（CD結構域）發(fā)生結合，促進(jìn)TET2發(fā)生去乙酰化，激活其酶活性。作者通過(guò)WGBS、ACE-Seq和MAB-Seq等甲基化組學(xué)技術(shù)，進(jìn)一步證實(shí)了細胞內纈氨酸饑餓，能夠通過(guò)HDAC6-TET2信號軸，促進(jìn)DNA主動(dòng)去甲基化。之前有研究發(fā)現神經(jīng)元中 DNA單鏈損傷來(lái)源于TDG依賴(lài)的DNA主動(dòng)去甲基化。該研究通過(guò)TET2 ChIP-Seq結合檢測DNA損傷的高通量測序技術(shù)END-Seq和ddC S1 END-Seq等實(shí)驗方法，確定纈氨酸匱乏促進(jìn)DNA損傷。纈氨酸匱乏誘導的DNA損傷同樣也依賴(lài)于胸腺嘧啶DNA糖基化酶（TDG）的氧化甲基胞嘧啶（5fC/5caC）所產(chǎn)生的單鏈損傷。

       綜上所述，該研究發(fā)現了全新的纈氨酸感應器，并首次闡明了纈氨酸限制通過(guò)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(gè)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(cháng)壽命和癌癥等多種疾病治療的輔助策略。前期關(guān)于纈氨酸剝奪療法雖然在非實(shí)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(shí)所引起的副作用也引起了關(guān)注。

       鑒于纈氨酸剝奪能夠促進(jìn)DNA損傷，研究團隊進(jìn)一步研究了纈氨酸限制在實(shí)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(zhù)抑制腫瘤生長(cháng)，同時(shí)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(jìn)一步證實(shí)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(guān)。由于誘導DNA損傷是一種抗癌療法，在臨床上可以通過(guò)使用PARP抑制劑阻斷DNA修復。研究團隊發(fā)現纈氨酸限制性飲食和PARP抑制劑（talazoparib）聯(lián)合治療顯著(zhù)增強抗腫瘤效果，這為該療法通過(guò)誘導DNA損傷治療癌癥提供了有力的證據。

       總的來(lái)說(shuō)，該研究發(fā)現，靈長(cháng)類(lèi)動(dòng)物的HDAC6是一種不依賴(lài)于傳統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(jìn)化在氨基酸感應中的重要作用。此外，該研究還闡明了營(yíng)養代謝應激、表觀(guān)遺傳調控與DNA損傷交互調控的新機制，拓寬了營(yíng)養代謝應激在應激生物學(xué)中的重要性，并發(fā)現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。

       相關(guān)閱讀：

       2024年1月31日，同濟大學(xué)醫學(xué)院/附屬第十人民醫院王平教授團隊（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)現并揭示了遠端膽固醇合成通路關(guān)鍵酶通過(guò)調控7-脫氫膽固醇（7-DHC）的水平來(lái)調控鐵死亡敏感性的機制，表明了通過(guò)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(xué)王平團隊揭示膽固醇前體決定鐵死亡敏感性

       同濟大學(xué)醫學(xué)院/附屬第十人民醫院王平教授為論文通訊作者，同濟大學(xué)醫學(xué)院/附屬第十人民醫院金佳麗研究員、上海市第一人民醫院孟通副主任醫師、同濟大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士生俞媛媛和中國科學(xué)院分子細胞科學(xué)卓越創(chuàng )新中心博士后吳樹(shù)恒為該論文共同第一作者。

       該研究得到了同濟大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院江賜忠教授、中國科學(xué)院分子細胞科學(xué)卓越創(chuàng )新中心吳薇研究員、耶魯大學(xué)吳殿青教授、同濟大學(xué)醫學(xué)院袁健教授、同濟大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院薛劍煌教授/王子昕、華東師范大學(xué)陳益華教授和沈陽(yáng)藥科大學(xué)曹昊教授等團隊的合作和支持。此外，中國科學(xué)院分子細胞科學(xué)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(xué)軍教授、同濟大學(xué)戈寶學(xué)教授、劉海鵬教授、章小清教授、徐艷萍教授、中山大學(xué)岳家興副研究員、復旦大學(xué)附屬腫瘤醫院?jiǎn)螡芍静┦考爸锌圃核幬锼芑⒔淌?高婧老師等為本研究提供了指導，上海國家蛋白質(zhì)科學(xué)研究中心（NFPS）提供平臺支持。該研究獲得了國家自然科學(xué)基金委國際合作項目、重點(diǎn)項目以及科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計劃等項目的資助。王平教授長(cháng)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(diǎn)，開(kāi)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(zhù)50余篇。課題組長(cháng)期招聘博士后、副/助理研究員等各類(lèi)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