代謝組學非靶標代謝流助力揭示18SrRNA中m6A控制

文章標題：N6-methyladenosine (m6A) in 18S rRNA promotes fatty acid metabolism and oncogenic transformation
發(fā)表期刊：Nature Metabolism
影響因子：19.865
作者單位：中山大學第一附屬醫(yī)院
百趣生物提供服務：非靶標代謝流分析

研究背景
能夠快速無限地生長和分裂是癌細胞最廣為人知的特征之一，癌細胞核糖體生物合成失調(diào)以及mRNA翻譯活性異常，均會促進癌癥的進展，然而，癌癥中核糖體生物生成失調(diào)的分子機制仍不清楚。

核糖體生物發(fā)生是一個高度協(xié)調(diào)的過程，最近的研究表明，不同的RNA轉錄后修飾在基因表達和癌癥進展的調(diào)節(jié)中均發(fā)揮重要作用。rRNA占細胞總RNA的80%以上，并受到不同的修飾，但是對于rRNA修飾在調(diào)節(jié)癌癥中的rRNA加工和功能中的功能和機制知之甚少。關于mRNA中m6A的修飾已經(jīng)成為癌癥進程的關鍵信號，而rRNA中m6A修飾的研究還有很多待揭示的問題。

為揭示METTL5介導的18S rRNA m6A修飾對決定細胞命運和生長的作用，讓我們走入作者的研究故事。

研究結果
1.METTL5和TRMT112在各種癌癥中上調(diào)，并與不良預后相關
根據(jù)前人的報道在rRNA中存在兩個酶METTL5和TRMT112分別催化18SrRNA上1832位（m6A1832)和28SrRNA上4220位（m6A4220)的甲基化修飾。為了探明m6A修飾在癌癥進程中的作用，作者首先對TCGA數(shù)據(jù)進行了分析，發(fā)現(xiàn)包括HCC在大多數(shù)TCGA癌癥類型中METTL5和TRMT112均顯著上調(diào)（圖1a-c），并且發(fā)現(xiàn)METTL5和TRMT112的高表達與肝癌患者的晚期病理分級、腫瘤分期、總體生存率均相關（圖1e-h）。為了進一步確定上述現(xiàn)象，作者在HCC細胞系以及HCC組織樣本中做了進一步確認，正如預期的那樣，無論在細胞系還是組織樣本中，相較于對照組，METTL5和TRMT112的mRNA和蛋白水平均有不同程度的上調(diào)（圖1i-m）。同時m6A定量檢測也確認了，在HCC細胞系和HCC患者樣本中m6A1832的修飾顯著增高（圖1n）。顯然METTL5和TRMT112介導的18S rRNA m6A修飾很可能在HCC的進程中有重要的作用。
 

圖1. MettL5在各種癌癥中上調(diào)，并與低生存率相關

2.METTL5的過表達在體外和體內(nèi)促進肝癌進展
為了深入研究METTL5的致癌功能，作者首先構建了METTL5過表達肝癌細胞系（圖2a，b），顯然METTL5的過表達顯著的增加了HCC細胞中18S rRNA的m6A修飾（圖2c)。不出意外的，METTL5的過表達從生長、遷移、侵襲等各方面促進了細胞系的活力（圖2d-k)。表明METTL5可以在體外促進HCC的進展。

回到體內(nèi)實驗，METTL5的mRNA和蛋白質在METTL5過表達質粒轉染的小鼠模型中均顯著上調(diào)（圖2l-n）。腫瘤形態(tài)檢測與免疫組織化學實驗同樣從表型角度表明METTL5過表達的小鼠腫瘤有更高的增殖活性，綜上所述，METTL5在體內(nèi)體外均會促進HCC腫瘤的發(fā)生。
 

圖2. MettL5的過表達在體外和體內(nèi)促進肝癌的發(fā)生

3.METTL5介導的18S rRNA m6A修飾調(diào)節(jié)80S核糖體組裝和全局mRNA翻譯
為了全面分析METTL5在HCC中的功能，作者同樣的對HCC細胞中的METTL5進行了敲低處理（圖3a）。在體外試驗中，METTL5敲低的處理使得HCC細胞的生長能力和集落形成能力均有所降低（圖3b-d），除了增殖表型之外，METTL5的缺失對HCC的凋亡以及細胞周期均產(chǎn)生了不良的影響（圖3e-l），結合上文的過表達數(shù)據(jù)，表明METTL5確實對HCC細胞起到了促進的作用。

作者進一步探究METTL5的作用機制，發(fā)現(xiàn)在METTL5缺失的細胞中，18S rRNA的m6A修飾顯著減少（圖3m)，同時為了確定METTL5對18S rRNA的m6A的影響并非是通過影響18S rRNA表達量導致的，作者對18S rRNA表達量進行了檢測（3圖o）。18S rRNA是核糖體的主要成分，作者進一步研究METTL5對核糖體功能的影響機制，多聚體分析表明METTL5的敲減會使80S核糖體組裝受損（圖3q）。

圖3. MettL5基因敲除體外抑制肝癌的發(fā)生
 

圖4. MettL5敲除損害脂肪酸β-氧化

5.ACSL4介導MettL5在脂肪酸代謝和肝癌進展中的功能
為了深入探究MettL5潛在的分子機制，作者分析了靶mRNA的特征，在富含脂肪酸代謝途徑的mRNA中，酰基輔酶A合成酶長鏈家族（ACSL）成員，包括ACSL1、ACSL3、ACSL4和ACSL5，在缺乏METTL5的細胞中顯示翻譯效率降低，同樣的METTL5缺乏的細胞中ACSL家族蛋白的表達水平也同步降低了（圖5f）。

ACSL家族能夠將長鏈脂肪酸轉化脂肪酰基輔酶a酯，在癌癥的長鏈脂肪代謝中起到至關重要的作用，為了分析ACSL在METTL5對HCC調(diào)控中的作用，作者在METTL5敲除的細胞中過表達的了ACSL4進行拯救實驗。通過強制過表達ACSL4增加了細胞中的脂質水平（圖5g-j）。同時細胞的增殖、集落形成、侵襲等能力均受ACSL4 表達而得到增強，（圖5k-q)，ACSL4 的強制表達同樣的減少了HCC細胞的凋亡，并促進了細胞周期的進展（圖5r-u)。上述實驗說明，ACSL4的過表達可以在一定程度上挽救因MettL5缺失而受到的影響的癌癥進展。為了研究結論的完整性，作者通過在MettL5過表達體系中敲除ACSL4，以及添加β氧化阻斷劑的方式，證實了MettL5在肝癌中的致癌作用需要依賴ACSL4對脂肪酸β-氧化的調(diào)節(jié)作用。最后作者在小鼠體內(nèi)同樣的驗證了上述現(xiàn)象。
 

圖5. ACSL4介導MettL5在脂肪酸代謝和肝癌進展中的功能

研究小結
總的來說，本研究提供了強有力的體外和體內(nèi)證據(jù)，支持METTL5介導的18S rRNA m6A修飾在肝癌中的致癌作用。此外，作者還進一步證明了rRNA表觀遺傳修飾、mRNA翻譯和脂肪酸代謝之間的交聯(lián)，為在轉化水平上開發(fā)肝癌治療的靶向治療提供了有力的證據(jù)。

科研延伸
BIOTREE非靶代謝流解決方案：無偏向性的檢測所有帶同位素標記的代謝物，廣泛篩選同位素標記的代謝物參與的代謝途徑或基因敲除前、后代謝速率變化。

文/阿趣代謝組學