Nature：降低缬氨酸摄入缓解T细胞急性淋巴细胞白血病

T细胞急性淋巴细胞白血病（T-ALL）是一种儿童和成人共患的血液系统癌症，缺乏有效的靶点和靶向药物。支链氨基酸（BCAAs）是缬氨酸（Val）、亮氨酸（Leu）和异亮氨酸（Ile）的统称，是一类侧链带有分支结构的必需氨基酸。BCAAs在癌症的发生发展过程中发挥重要作用，可以通过蛋白合成和代谢等途径促进慢性粒细胞白血病和急性粒细胞白血病的进展。

在细胞中，氨基酸和转运RNA（tRNA）在相应的tRNA合成酶催化下结合，运输到正在翻译mRNA的核糖体上，通过反密码子和mRNA的密码子配对结合，在核糖体的催化下合成蛋白质。近来，有研究表明tRNA的合成水平和肿瘤进展相关，但是其中的机制仍不明确。

2021年12月22日，纽约大学医学院的Iannis Aifantis 团队在Nature上发表了题为《Valine tRNA levels and availability regulate complex I assembly in leukaemia》的文章，发现T-ALL中NOTCH1通过上调Val-tRNA合成酶VARS的表达上调Val-tRNA；限制饮食中Val水平能够降低T-ALL小鼠的Val-tRNA水平，从而缓解白血病、增加小鼠存活率。机制上，Val限制降低了线粒体复合体I亚基mRNA翻译速率，导致复合体I组装缺陷和氧化磷酸化受损。该研究发现了Val-tRNA的表达失调是T-ALL进展过程中的关键步骤，揭示了Val-tRNA促进T-ALL的分子机制，为膳食干预T-ALL提供了理论基础。

在T-ALL中Val-tRNA生物合成发生改变

作者分析了T- ALL、正常胸腺细胞（非成熟T细胞）和成熟T细胞亚群的基因表达数据集，发现T-ALL的表达谱与另外两者有显著的差异，很多参与tRNA生物合成的基因在T-ALL中有显著上调。接下来，作者针对tRNA生物合成相关基因进行了CRISPR阴性筛选，发现Val-tRNA合成酶VARS的sgRNA显著消耗，提示VARS表达上调、Val-tRNA合成上调。表达谱数据也显示T-ALL中VARS mRNA和Val-tRNAs（尤其是tRNA-Val-TAC）显著上调。tRNA-Val-TAC是诱导细胞快速分裂的促增殖性tRNA。靶向突变tRNA-Val-TAC使其失去mRNA配对能力后，多个T-ALL细胞株的增殖能力显著降低。

NOTCH1直接调控Val-tRNA合成酶VARS的表达

在T-ALL中NOTCH1突变是重要的驱动性突变，有研究发现NOTCH1信号可上调tRNA生物合成和蛋白合成相关基因的表达。那么T-ALL中的Val-tRNA上调是否和NOTCH1信号有关呢？

作者通过GRO-seq检测了添加NOTCH1抑制剂γSI和随后移除γSI不同时间后细胞的新合成RNA谱。K-means聚类显示有两个响应γSI处理的基因簇，这些簇包括MYC和IL7R等NOTCH1的靶基因和参与tRNA生物合成的基因。其中，VARS和tRNA-Val-TAC-1-1的新生RNA在添加γSI后表达显著下调，去除γSI后表达水平逐渐复原，提示NOTCH1影响VARS和Val-tRNA的合成。NOTCH1抑制剂可以下调VARS蛋白水平。ChIP-seq进一步发现NOTCH1可以和VARS的启动子结合。这表明NOTCH1直接参与调控VARS的表达，并进一步影响Val-tRNA水平。

限制Val摄入可以缓解T-ALL

上述结果表明，T-ALL高度依赖于细胞中的Val-tRNA库。考虑到Val是一种必需氨基酸，必须通过饮食摄取，那么低Val饮食能否干预T-ALL的进展呢？

作者构建了NOTCH1-ΔE-GFP移植T-ALL小鼠模型。与对照组 (8 g/kg; 0.8% Val）相比，Val缺乏饲养小鼠血液中和脾脏中的癌细胞数显著降低。在Val缺乏饲养T-ALL小鼠的饮用水中重新添加Val后，白血病细胞重新出现，表明限制Val摄入能缓解T-ALL。Val缺乏饲养显著降低了T-ALL 小鼠的肿瘤负担，但是不影响BCR-ABL融合的B-ALL小鼠的癌症进展，表明Val对T-ALL有特异性。

作者进一步探索了Val饮食剥夺是否对人类T-ALL有效。作者对移植了NOTCH1突变患者来源的T-ALL原代细胞的免疫缺陷小鼠进行Val缺乏饮食，发现Val缺乏可显著缓解T-ALL小鼠的白血病和脾脏肿大，显著延长了T-ALL小鼠的生存率。

上述结果表明T-ALL细胞对饮食中Val水平敏感，Val剥夺可以改善T-ALL。

适当限制饮食中的Val可以既缓解T-ALL又克服Val缺乏的不良后果

虽然Val剥夺有利于改善T-ALL，但是有研究显示长期饮食剥夺Val会导致体重减轻、造血功能受损。那么，能否将饮食中的Val降低到既能影响T-ALL进展又能避免不良反应的水平呢？

给小鼠以对照饲料或Val缺乏饲料+正常饮用水、Val缺乏饲料+不同Val浓度饮用水（0.8g/L和0.4g/L）的处理，作者发现Val缺乏饲料+不同Val浓度饮用水能显著延长T-ALL小鼠的存活率。其中，Val缺乏饲料+0.8 g/L Val饮用水是最佳条件，该条件下小鼠的生存时间显著延长但是没有明显的体重损失。血浆Val定量分析表明，在Val缺乏饲料+0.8 g /L Val饮用水喂养2周后，血浆Val水平降低了约50%。作者进一步检测了该条件下小鼠的造血功能，发现0.8 g/L Val不改变小鼠的红细胞和血小板计数，不改变骨髓、脾脏和胸腺的细胞数量。此外，对骨髓和胸腺的分析显示，Val缺乏饲料+0.8 g /L Val饮用水饲喂的小鼠中T细胞发育和造血是正常的。上述实验表明，适当限制饮食中的Val水平可以延缓T-ALL的进展，同时能避免Val剥夺的不良后果。

Val限制饮食条件下

T-ALL细胞对Val需求上调

为了进一步探究Val限制饮食对T-ALL的影响，作者在体外模拟了Val限制并进行了全基因组CRISPR阴性筛选，发现在低Val条件下，VARS 表达上调，介导BCAAs转运的基因SLC7A5和SLC3A2、BCAA代谢的相关基因BCKDK和GLS2上调。这些变化表明T-ALL细胞对Val的有较高的需求，VARS、SLC7A5和SLC3A2具备成为T-ALL治疗靶点的潜力。

Val水平影响电子传递链mRNA的翻译

为了了解Val限制饮食缓解T-ALL的分子机制，作者评估了不同Val饮食的小鼠中分离的脾原细胞中mRNA翻译差异，鉴定了162种在低Val条件下差异翻译mRNA。STRING网络分析发现这些差异翻译mRNA在电子传递链（ETC）相关的过程中富集，包括NADH脱氢酶活性和线粒体复合体I的生物合成。

对人类蛋白质组的分析表明，线粒体蛋白质普遍富集Val密码子，其中一些在Val限制条件下翻译下调。这提示Val含量高的蛋白的mRNA翻译过程对Val剥夺更敏感。作者通过实验发现NDUFB1(含有12% Val)-GFPd2报告基因的表达比NDUFS55(含约1% Val)-GFPd2报告基因的表达对缬氨酸剥夺更为敏感。

在转录水平上，Val限制下调NOTCH1、MYC和β-catenin信号通路的基因表达水平，上调与凋亡、炎症和折叠蛋白反应相关的基因。值得注意的是，SLC7A5和BCL2的表达水平在Val限制条件下均显著上调，提示SLC7A5和BCL-2表达上调是其抗Val限制的潜在机制。

Val限制导致ETC复合体I损伤

为了进一步探索Val限制饮食是否影响ETC功能，作者在Val限制培养基中培养T-ALL细胞株，发现ETC复合体（特别是复合体I）的蛋白水平明显降低，细胞耗氧率显著降低。靶向敲除VARS mRNA也导致复合体I的下调。Val限制和VARS敲除导致的NAD+/NADH下降进一步表明复合体I发生了功能损伤。电镜观察发现，Val限制和VARS敲低均导致线粒体嵴腔宽度增加和结构紊乱。这些结果表明Val限制或VARS敲低抑制Val-tRNA的合成，导致复合体I损伤、NAD+/NADH比值降低和线粒体形态、功能异常。

总结

tRNA在肿瘤的发生发展过程中有重要作用，然而tRNA促进肿瘤的分子机制仍不明确。作者以T-ALL为切入点，发现Val-tRNA是维持T-ALL的重要因素。T-ALL中Val-tRNA合成显著上调；Val限制饮食或抑制Val-tRNA合成酶的活性能显著缓解T-ALL，延长T-ALL小鼠的寿命；选择合适的低Val饮食能在不损伤机体正常生理功能的情况下显著缓解T-ALL、延长生存期。在机制上，T-ALL中常见的NOTCH1信号激活使NOTCH1和VARS启动子结合，促进Val-tRNA的合成；Val限制饮食后，线粒体蛋白的mRNA的翻译受到显著抑制，ETC复合体I显著受损，线粒体功能发生缺陷，细胞增殖受到抑制。该研究阐明了tRNA生物合成影响肿瘤进展的分子机制，发现了Val限制饮食靶向治疗T-ALL的潜力。

文/阿司匹林 SHLT

责编/Rena

链接：https://doi.org/10.1038/s41586-021-04244-1

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