近年來，越來越多的研究表明，RNA的表觀遺傳修飾在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中具有重要的作用，其中N6-腺苷酸甲基化（m6A）是最常見的一種[1]。但核糖體RNA（rRNA）的m6A修飾在癌癥中發(fā)揮的功能以及其分子機(jī)制并沒有被完全闡明。
近日，由中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院林水賓、匡銘和彭穗領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊，在著名期刊《自然·代謝》上發(fā)表了重要研究成果[2]。
他們發(fā)現(xiàn)，甲基轉(zhuǎn)移酶METTL5介導(dǎo)的18S RNA m6A修飾的丟失，能夠抑制80S核糖體的組裝聚集，進(jìn)而降低脂肪酸代謝相關(guān)基因的mRNAs翻譯，其中包括乙酰輔酶A合成酶家族成員（ACSL）。另一方面，ACSL4亦能夠通過調(diào)控脂肪酸的代謝，進(jìn)而影響METTL5的功能。體內(nèi)靶向ACSL4與METTL5可以抑制肝癌的發(fā)生和發(fā)展。
該項研究闡明了rRNA的表觀遺傳修飾與mRNA的翻譯以及脂肪酸代謝之間的關(guān)系，為肝癌靶向治療策略的發(fā)展提供了分子基礎(chǔ)。
論文首頁截圖
腫瘤細(xì)胞具有細(xì)胞核增大、核仁結(jié)構(gòu)異常的特征，這些不同于尋常細(xì)胞的特征使腫瘤細(xì)胞能夠快速無限地繁殖。
其中，核仁在rRNA的轉(zhuǎn)錄與核糖體的生成中發(fā)揮重要的作用。伴隨著核仁結(jié)構(gòu)的異常，腫瘤細(xì)胞內(nèi)同時會發(fā)生核糖體生成與mRNA轉(zhuǎn)錄失調(diào)，從而快速合成癌細(xì)胞增殖所需的蛋白。然而，引起腫瘤細(xì)胞的核糖體生成異常的原因尚未查明[3-4]。
這件事要想整明白還有點(diǎn)兒難，畢竟核糖體的生成是一個高度協(xié)調(diào)的過程。在這個過程中，核糖核蛋白需要包裹住rRNA，進(jìn)而構(gòu)成基因轉(zhuǎn)錄翻譯的主要場所。我們目前掌握的線索是，核糖體生成的過度激活會造成mRNA的異常轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)翻譯的改變，從而使細(xì)胞代謝過程重塑，并逐漸轉(zhuǎn)化為癌細(xì)胞[5]。
避難就易，或許我們可以從核糖體的重要組成部分之一——rRNA著手調(diào)查。
rRNA是否會通過影響核糖體的生成而引起癌癥的發(fā)生呢？近期的一些研究表明，不同RNA的轉(zhuǎn)錄后修飾與基因的表達(dá)及癌癥的發(fā)生密切相關(guān)。只不過，雖然rRNA占據(jù)細(xì)胞總RNA的80%，但多數(shù)研究集中在mRNA修飾與腫瘤的關(guān)系上，rRNA的修飾在rRNA加工和癌癥中的作用知之甚少。
已知rRNA的m6A修飾通常由不同的酶催化，并發(fā)生在特異的位點(diǎn)上，其中甲基轉(zhuǎn)移酶METTL5和ZCCHC4分別介導(dǎo)18S rRNA的1832位點(diǎn)和28S rRNA的4220位點(diǎn)上的甲基化（m6A1832， m6A4220）[6-7]。那么，rRNA的m6A修飾在細(xì)胞乃至生命體中到底扮演什么角色呢？
研究人員首先對TCGA數(shù)據(jù)庫中20種癌癥類型進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)甲基轉(zhuǎn)移酶METTL5和與它的相互作用蛋白TRMT112在80%的癌癥類型中高表達(dá)，其中包括肝細(xì)胞癌（HCC）。此外， METTL5-TRMT112的表達(dá)與HCC的惡性程度和不良預(yù)后密切相關(guān)。肝癌細(xì)胞系和HCC腫瘤患者的樣本檢測與數(shù)據(jù)庫分析結(jié)果一致。
進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，在肝癌細(xì)胞系中過表達(dá)METTL5能夠顯著促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的生長增殖及遷移侵襲能力。同時，動物水平上的小鼠體內(nèi)成瘤實(shí)驗(yàn)與細(xì)胞體外克隆形成實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。相應(yīng)的，敲低METTL5的表達(dá)，肝癌細(xì)胞生長增殖與遷移侵襲能力受到抑制，凋亡細(xì)胞比例增高。另外，功能獲得與功能缺失實(shí)驗(yàn)，均表明了METTL5的促癌作用。
為了深入探究作為甲基轉(zhuǎn)移酶的METTL5影響腫瘤的機(jī)制，研究人員利用RNA免疫共沉淀（RIP）的技術(shù)檢測到，METTL5敲低后18S rRNA的m6A修飾水平明顯降低。應(yīng)用單堿基延長和連接的qPCR擴(kuò)增（SELECT）技術(shù)，證實(shí)METTL5確實(shí)能夠動態(tài)調(diào)控18S rRNA的A1832位點(diǎn)上的m6A修飾。
值得注意的是，METTL5敲低只影響18S rRNA的修飾，并不影響其表達(dá)。
考慮到，18S rRNA是核糖體的主要組成部分，研究人員推測18S rRNA的m6A修飾可能會與核糖體的生成及功能有關(guān)。
的確，敲低METTL5的細(xì)胞中，80S核糖體的峰值與蛋白質(zhì)合成速率降低。研究人員進(jìn)一步通過RIP-qPCR和凝膠阻滯實(shí)驗(yàn)（EMSA）發(fā)現(xiàn)，METTL5介導(dǎo)的18S rRNA的m6A修飾是核糖體大亞基蛋白24（RPL24）與18S rRNA相互作用的必要條件，從而確保80S 核糖體的募集和mRNA的翻譯。
接下來，研究人員試圖找到受METTL5影響的主要mRNA。
他們對敲除METTL5的肝癌細(xì)胞進(jìn)行了核糖體圖譜測序（Ribo-seq），對翻譯效率（TEs）下調(diào)的mRNA進(jìn)行京都基因與基因組百科全書（KEGG）通路富集分析。結(jié)果顯示，這些受METTL5影響的mRNA被富集在多個重要的通路里，包括脂肪酸代謝相關(guān)通路。
不僅如此，可在敲低METTL5的細(xì)胞中觀察到，游離脂肪酸、甘油三酯、膽固醇均減少。同位素示蹤與液相質(zhì)譜（LC-MS）實(shí)驗(yàn)則表明，METTL5缺失主要影響長鏈脂肪酸，尤其是多不飽和脂肪酸（PUFAs）的生成，脂肪酸的氧化也降低。以上結(jié)果均顯示了METTL5在調(diào)節(jié)HCC細(xì)胞脂肪酸代謝中具有重要作用。
此外，研究人員發(fā)現(xiàn)具有 5’ 端寡嘧啶（5’ TOP）基序的mRNA轉(zhuǎn)錄本更傾向于被METTL5調(diào)控，而這種TOP mRNA已被報道與核糖體的生成有關(guān)[8]。
隨后，他們鎖定了乙酰輔酶A合成酶長鏈家族（ACSL）。他們發(fā)現(xiàn)，ACSL富集在METTL5敲除后發(fā)生改變的脂肪酸代謝通路中，且ACSL4具有典型的5’ TOP基序。熒光素酶報告實(shí)驗(yàn)顯示，5’ TOP基序?qū)τ贛ETTL5促進(jìn)ACSL4 mRNA的翻譯十分重要。敲低METTL5后，ACSL蛋白水平降低。
更有趣的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，在敲除METTL5的細(xì)胞中回補(bǔ)ACSL4能夠升高脂肪酸的合成與氧化，并促進(jìn)HCC的惡性進(jìn)展。如果在肝臟特異性敲除的小鼠中敲低ACSL4，則能夠進(jìn)一步降低肝癌腫瘤的大小，抑制腫瘤的發(fā)展。
綜上所述，這項研究用充足的證據(jù)表明，METTL5調(diào)控的18S rRNA的m6A修飾是確保80S核小體正確募集組裝的必要條件，從而維持mRNA的穩(wěn)定翻譯，促進(jìn)脂肪酸的過度生成與氧化，使細(xì)胞轉(zhuǎn)化為癌細(xì)胞。
更重要的是，該項研究為靶向METTL5與ACLS4的HCC治療提供了強(qiáng)有力的證據(jù)，未來該靶點(diǎn)有望在臨床醫(yī)藥方面得到開發(fā)。
參考文獻(xiàn)：
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[7] Ma H, Wang X, Cai J, et al. N6-Methyladenosine methyltransferase ZCCHC4 mediates ribosomal RNA methylation. Nat Chem Biol. 2019;15(1):88-94.
[8] Khajuria RK, Munschauer M, Ulirsch JC, et al. Ribosome Levels Selectively Regulate Translation and Lineage Commitment in Human Hematopoiesis. Cell. 2018;173(1):90-103.e19.
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