氨基酸是維持機(jī)體正常生理活動(dòng)的重要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，其調(diào)控異常可導(dǎo)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(yīng)已成為延長(zhǎng)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(yīng)兩種方式調(diào)控細(xì)胞的正常生命活動(dòng)。在氨基酸感應(yīng)調(diào)控中，氨基酸直接與特定感應(yīng)器結(jié)合是進(jìn)化過(guò)程中一種更為簡(jiǎn)單、直接的調(diào)控方式。因此，探尋氨基酸感應(yīng)機(jī)制、鑒定氨基酸感應(yīng)器有利于解析細(xì)胞生命活動(dòng)和疾病演變規(guī)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)揮著重要的作用。纈氨酸飲食限制療法也被認(rèn)為有利于急性淋巴細(xì)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(yīng)器及其調(diào)控癌癥、代謝性疾病的機(jī)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(yīng)也是臨床應(yīng)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(jì)大學(xué)醫(yī)學(xué)院/附屬第十人民醫(yī)院王平團(tuán)隊(duì)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(gè)全新的纈氨酸特異性感應(yīng)器——人源去乙?；窰DAC6。機(jī)制方面，纈氨酸限制可導(dǎo)致HDAC6核轉(zhuǎn)位，進(jìn)而增強(qiáng)TET活性，誘導(dǎo)DNA損傷。值得注意的是，該感應(yīng)機(jī)制是靈長(zhǎng)類所特有的，靈長(zhǎng)類HDAC6含有一段特有的富含絲氨酸-谷氨酸十四肽（SE14）重復(fù)結(jié)構(gòu)域，并通過(guò)該結(jié)構(gòu)域感應(yīng)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(dú)或聯(lián)合PARP抑制劑，可有效抑制腫瘤的生長(zhǎng)。

       綜上所述，該研究揭示了營(yíng)養(yǎng)應(yīng)激通過(guò)表觀遺傳修飾調(diào)控DNA損傷的全新機(jī)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(yīng)器通常需結(jié)合氨基酸，從而識(shí)別并響應(yīng)細(xì)胞內(nèi)外的氨基酸濃度變化，發(fā)揮其感應(yīng)功能。為系統(tǒng)性鑒定纈氨酸結(jié)合蛋白，研究團(tuán)隊(duì)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(yàn)并結(jié)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(jié)合蛋白。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，除已知的纈氨酰tRNA合成酶（VARS）外，去乙?；窰DAC6相較于VARS，顯示出更強(qiáng)的纈氨酸結(jié)合能力。進(jìn)一步利用同位素結(jié)合實(shí)驗(yàn)、等溫滴定量熱（ITC）實(shí)驗(yàn)及熱漂移等實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)確定了HDAC6能夠直接結(jié)合纈氨酸，其親和力為Kd≈2μM。解析感應(yīng)蛋白識(shí)別氨基酸的結(jié)構(gòu)特征，有助于深入理解細(xì)胞感應(yīng)氨基酸豐度變化的分子機(jī)制。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)分析纈氨酸類似物的結(jié)合實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，HDAC6識(shí)別纈氨酸的羧基端和側(cè)鏈，能夠容忍氨基端修飾。此外，在HDAC6敲除細(xì)胞中，限制纈氨酸對(duì)mTOR信號(hào)通路的調(diào)控較對(duì)照組無(wú)明顯差異，提示這一結(jié)合區(qū)別于傳統(tǒng)的氨基酸感應(yīng)信號(hào)通路。

       為了探究HDAC6感應(yīng)纈氨酸的重要結(jié)構(gòu)域及其功能。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)HDAC6截?cái)囿w結(jié)合實(shí)驗(yàn)，確定HDAC6通過(guò)其SE14結(jié)構(gòu)域與纈氨酸發(fā)生結(jié)合。令人驚訝的是，通過(guò)同源性比對(duì)發(fā)現(xiàn)，SE14結(jié)構(gòu)域僅存在于靈長(zhǎng)類的HDAC6中。有別于靈長(zhǎng)類（人和猴子）的HDAC6，鼠的HDAC6并不能與纈氨酸發(fā)生結(jié)合。這一發(fā)現(xiàn)揭示了不同物種在纈氨酸感應(yīng)中的差異性，提示了物種進(jìn)化在氨基酸感應(yīng)中的重要作用。

       基于HDAC6通過(guò)其SE14結(jié)構(gòu)域直接結(jié)合纈氨酸這一結(jié)果，作者推測(cè)當(dāng)細(xì)胞內(nèi)纈氨酸豐度發(fā)生變化時(shí)，HDAC6與纈氨酸的結(jié)合強(qiáng)弱可能影響其結(jié)構(gòu)及功能。通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)探究及SE14結(jié)構(gòu)域在HDAC6胞質(zhì)滯留中作用的相關(guān)報(bào)道，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞內(nèi)纈氨酸的匱乏能夠誘導(dǎo)HDAC6轉(zhuǎn)位至細(xì)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(jié)構(gòu)域）發(fā)生結(jié)合，促進(jìn)TET2發(fā)生去乙?；?，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(xì)胞內(nèi)纈氨酸饑餓，能夠通過(guò)HDAC6-TET2信號(hào)軸，促進(jìn)DNA主動(dòng)去甲基化。之前有研究發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元中 DNA單鏈損傷來(lái)源于TDG依賴的DNA主動(dòng)去甲基化。該研究通過(guò)TET2 ChIP-Seq結(jié)合檢測(cè)DNA損傷的高通量測(cè)序技術(shù)END-Seq和ddC S1 END-Seq等實(shí)驗(yàn)方法，確定纈氨酸匱乏促進(jìn)DNA損傷。纈氨酸匱乏誘導(dǎo)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(chǎn)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(yīng)器，并首次闡明了纈氨酸限制通過(guò)HDAC6-TET2-TDG信號(hào)軸誘導(dǎo)DNA損傷的分子機(jī)制，為理解氨基酸應(yīng)激決定細(xì)胞命運(yùn)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(yīng)已成為延長(zhǎng)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(tuán)隊(duì)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(jié)直腸癌異種移植瘤模型中，研究團(tuán)隊(duì)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(zhǎng)，同時(shí)副作用較小。在預(yù)防組和治療組中，研究團(tuán)隊(duì)利用結(jié)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(dǎo)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(fù)。研究團(tuán)隊(duì)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(qiáng)抗腫瘤效果，這為該療法通過(guò)誘導(dǎo)DNA損傷治療癌癥提供了有力的證據(jù)。

       總的來(lái)說(shuō)，該研究發(fā)現(xiàn)，靈長(zhǎng)類動(dòng)物的HDAC6是一種不依賴于傳統(tǒng)感應(yīng)器的全新纈氨酸感應(yīng)蛋白，揭示不同物種在纈氨酸感應(yīng)中的差異性，表明生物進(jìn)化在氨基酸感應(yīng)中的重要作用。此外，該研究還闡明了營(yíng)養(yǎng)代謝應(yīng)激、表觀遺傳調(diào)控與DNA損傷交互調(diào)控的新機(jī)制，拓寬了營(yíng)養(yǎng)代謝應(yīng)激在應(yīng)激生物學(xué)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(yīng)用可作為癌癥治療的新策略。

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       2024年1月31日，同濟(jì)大學(xué)醫(yī)學(xué)院/附屬第十人民醫(yī)院王平教授團(tuán)隊(duì)（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(yuǎn)端膽固醇合成通路關(guān)鍵酶通過(guò)調(diào)控7-脫氫膽固醇（7-DHC）的水平來(lái)調(diào)控鐵死亡敏感性的機(jī)制，表明了通過(guò)藥物調(diào)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(xì)介紹：國(guó)內(nèi)首篇鐵死亡研究Nature論文：同濟(jì)大學(xué)王平團(tuán)隊(duì)揭示膽固醇前體決定鐵死亡敏感性

       同濟(jì)大學(xué)醫(yī)學(xué)院/附屬第十人民醫(yī)院王平教授為論文通訊作者，同濟(jì)大學(xué)醫(yī)學(xué)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(jì)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士生俞媛媛和中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)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(jì)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院江賜忠教授、中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)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(jì)大學(xué)醫(yī)學(xué)院袁健教授、同濟(jì)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(tuán)隊(duì)的合作和支持。此外，中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心徐國(guó)良教授、裴鋼教授和周小龍研究員、美國(guó)國(guó)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(xué)軍教授、同濟(jì)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(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)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(dǎo)，上海國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)研究中心（NFPS）提供平臺(tái)支持。該研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金委國(guó)際合作項(xiàng)目、重點(diǎn)項(xiàng)目以及科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。王平教授長(zhǎng)期致力于腫瘤微環(huán)境基礎(chǔ)與轉(zhuǎn)化研究，圍繞腫瘤代謝和免疫微環(huán)境的調(diào)控機(jī)制尋找新靶點(diǎn)，開(kāi)發(fā)腫瘤干預(yù)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(guó)際主流雜志發(fā)表論著50余篇。課題組長(zhǎng)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