洛克菲勒大学伊丽莎白和文森特·梅耶系统癌症生物学实验室（Elizabeth and Vincent Meyer Laboratory of Systems Cancer Biology）负责人Sohail Tavazoie多年来致力于研究这一联系。2023年，他的团队报告称，剥夺结肠癌细胞的精氨酸会导致其积累更多突变。
他们最新的研究表明，精氨酸缺乏也可能削弱免疫系统。当精氨酸稀缺时，细胞难以产生MHC-1，这是一种帮助免疫系统识别突变细胞和入侵病毒等威胁的蛋白质。
精氨酸可能恢复关键的免疫信号
研究人员还发现，适量的精氨酸（大约相当于几片非处方药片中的含量）可能恢复参与MHC-1生成的基因的表达。该研究结果发表在《细胞》（Cell）杂志上。
该实验室博士后、第一作者吴秋爽（Qiushuang Wu）表示：“我们的工作揭示了精氨酸缺乏如何干扰免疫系统，并表明增加精氨酸摄入可能是有益的。这可能意味着它可以与其他疗法联合使用，用于治疗癌症和病毒感染。”
Tavazoie建议：“精氨酸补充剂可以很容易地在接受免疫治疗的患者中进行测试，或提供给接触病毒病原体的高危人群。考虑到精氨酸价格低廉且易于获取，我们希望治疗性和预防性研究能尽快开展。”
密码子如何指导蛋白质合成
氨基酸通常被描述为蛋白质的构建基石。其合成由密码子指导，密码子是由三个DNA碱基组成的序列，为制造单个氨基酸提供细胞指令。共有六种不同的密码子编码精氨酸，这突显了其在蛋白质合成中的广泛重要性。
科学家们已经知道氨基酸可用性的变化会影响细胞代谢和信号传导。但关于这些变化是否能直接影响基因表达，目前知之甚少。
在这项新研究中，吴秋爽考察了由饮食或疾病引起的精氨酸水平波动是否会改变基因表达。该研究部分由洛克菲勒大学斯塔夫罗斯·尼亚乔斯基金会（SNF）全球传染病研究所和威尔癌症东部中心（Weill Cancer East Hub）资助。
研究人员研究了多种疾病模型，包括结肠癌、流感和SARS-CoV-2。此前，这些疾病均与不同氨基酸水平的异常有关。
她说：“出现的最显著模式之一是，在所有这些疾病中，精氨酸是消耗最严重的氨基酸。”
低精氨酸水平破坏免疫识别
吴秋爽利用细胞培养技术，鉴定了受精氨酸水平下降影响的基因和蛋白质。她发现其中有414种蛋白质水平异常偏低。其中大多数由与精氨酸已知分子功能相关的基因编码产生。
一个更出乎意料的结果涉及三个负责产生MHC-1（主要组织相容性复合体I类）蛋白的HLA基因。MHC-1蛋白存在于全身细胞的表面。它们向T细胞呈递外来或异常蛋白，随后T细胞招募其他免疫细胞对威胁做出反应。
MHC-1蛋白包含许多在合成过程中必须掺入精氨酸的位点，因此研究人员怀疑精氨酸稀缺干扰了这一过程。进一步的实验揭示了合成过程具体在何处中断。
当细胞被剥夺精氨酸时，负责组装蛋白质的细胞机器——核糖体，在试图合成MHC-1时发生停滞。由于缺乏足够的精氨酸，它们无法完成蛋白质合成。结果，细胞展示的能够警示T细胞识别癌症相关蛋白或病毒蛋白的信号减少。这使得潜在危险的细胞更容易逃脱免疫检测。
Tavazoie表示：“这些发现令人兴奋，因为它们揭示了特定氨基酸的摄入可以通过增加富含该氨基酸的蛋白质的合成，直接调节生物体内的基因表达。我们认为，这种通过饮食干预实现的选择性翻译调控可能适用于许多其他蛋白质和氨基酸。”
小鼠体内的结肠肿瘤减少
吴秋爽接下来测试了不同含量的膳食精氨酸对小鼠的影响。喂食低精氨酸饮食的小鼠长出了更多的结肠肿瘤。而摄入更多精氨酸的小鼠结肠肿瘤数量较少。
吴秋爽与查尔斯·赖斯（Charles Rice）病毒学与传染病实验室的研究助理教授Heinz-Heinrich Hoffman合作，利用流感和SARS-CoV-2小鼠模型重复了上述饮食研究。结果呈现出类似的模式，并得出了另一个令人惊讶的发现。
吴秋爽指出：“富含精氨酸饮食的小鼠不仅病毒感染症状更轻，而且在感染流感后补充精氨酸也能改善其预后。这非常令人惊讶。根据我们的遗传模型，我们知道调控精氨酸水平会对基因表达产生强烈影响，但没想到饮食干预也能产生同样显著的效果。”
对衰老和疾病的潜在影响
这些发现表明，精氨酸水平下降可能有助于解释为何营养不良和衰老与对某些癌症及病毒感染的易感性增加有关。精氨酸水平随年龄增长自然下降，这可能会削弱免疫系统识别异常或受感染细胞的能力。
Tavazoie表示：“吴秋爽的发现阐明了不良饮食和衰老——在此过程中精氨酸水平自然下降——如何为结肠癌的发生创造‘完美风暴’。同样，与年龄相关的精氨酸流失可能部分导致了呼吸道病毒引发的更高死亡率。我们也正在研究调整其他氨基酸的饮食摄入是否能在多种疾病背景下产生有益效果。毫无疑问，未来还会有更多发现。”