m6A 作为真核细胞丰度最高的 mRNA 修饰,已发现在许多正常生物过程中发挥重要的作用,如组织发育、干细胞自我更新和分化、热休克或 DNA 损伤应答等。m6A 修饰机制在正常生物过程中如此重要,与癌症的发生、发展和药物应答的关系也十分密切。来自辛辛那提大学的陈建军教授上个月在 Cell Research 上发表了一篇综述,总结了 m6A 修饰失调与多种肿瘤发病、药物应答相关的病理机制,在此基础上,讨论针对 m6A 修饰失调的肿瘤治疗药物研发的可行性。文中所引用的都是最新最前沿的研究成果,具有很好的实验设计参考价值。 m6A 甲基转移酶复合物由 METTL13、METTL14 和 WTAP 组成,可能还包括 VIRMA 和 RBM15,充当 m6A writer(书写器),去甲基化酶(如 FTO,ALKBH5)充当 erasers(擦除器),还有一系列 m6A 结合蛋白(YTHDF1/2/3,YTHDC1/2,IGF2BP1/2/3,METTL3 和 eIF3)作为 readers(阅读器),决定 m6A 修饰的靶 mRNA 转录本的命运。 FTO与白血病和脑癌 科学家发现,FTO 基因位点上的单核苷酸多态性 (SNP) 和肥胖、糖尿病关系密切,所以 FTO 在近十年变得很出名。虽然这个结果具有争议性,但是在小鼠模型中,FTO 对脂肪量、脂肪生成和体重确实有着重要的调控作用,且人成纤维细胞和血细胞的 SNP 风险表型与 FTO 表达上升之间存在着联系。
案例1:Li Z, et al. Cancer Cell. 2017 为了研究 FTO 对肿瘤的病理作用,研究者分析了几组急性髓细胞白血病(AML)患者大样本的全基因组基因表达数据,发现 FTO 在 AML 的某些特定亚型中高表达,包括 t(11q23)/MLL - 重组、t(15;17)/PML-RARA、FLT3-ITD 或 NPM1 突变。
在体内和体外的功能获得性、缺失性实验中,他们发现 FTO 表达的增加,使人 AML 细胞存活率、增殖能力提高,促进正常造血干 / 祖细胞(HSPC)的癌化,并抑制 ATRA 诱导的 AML 细胞分化。重要的是,研究者发现 FTO,是作为一个 m6A 去甲基化酶(demethylase)发挥这个作用的,它能在转录后调控它的关键靶 RNA 表达。
研究者还进行了全转录组 m6A-seq、荧光素酶报告基因和突变实验、mRNA 稳定性实验和基因特异 m6A-qPCR 实验,结果表明 FTO 通过降低 m6A 修饰丰度、从而降低靶 mRNA 转录本的稳定性,负调控 ASB2 和 RARA 表达。
R-2HG,在异柠檬酸脱氢酶(IDH)1/2 突变后会高表达, 在 10–20% 的 AML 患者、~80% 的 II-III 级神经胶质瘤和二级 GBM(多形性胶质母细胞瘤)中均能发现。最近,通过对 27 种人白血病细胞系、15 个原发性 AML 样品和 8 种人 GBM 细胞系进行分析,研究者发现 R-2HG 在白血病和神经胶质瘤中有着广泛的抗肿瘤活性,能降低细胞迁移率 / 增殖能力,增加细胞周期阻滞(cell-cycle arrest)和凋亡。
案例2:Su R, et al. Cell. 2018 研究者建立了三种动物模型,鉴定得其中 2 种为 R-2HG 敏感型;经过不同方式的 R-2HG 处理,敏感型小鼠的存活率显著延长;随后,研究者再对不同的白血病细胞株进行 RNA-seq 分析,发现 FTO 在敏感性细胞中的表达显著上调,并且对敏感型细胞的 RNA-seq,发现 MYC、G2 和 E2F 的基因表达也会被 R-2HG 抑制。在机制方面,研究者通过 DARTS 实验、CETSAs 实验和 shRNA 干扰证实 FTO 是 R-2HG 的直接靶点,介导 R-2HG 诱导的抗肿瘤作用。
研究者还对 FTO 相关的 92 个转录因子进行分析,筛选出异常高表达的 CEBPA 基因,高表达的 CEBPA 能激活 FTO 启动子,而 R-2HG 可以使 CEBPA mRNA 的 m6A 修饰增加,降低转录稳定性,减少其表达。结合此研究结果和其他发表的文章,研究者猜测 IDH 突变癌症中的内源 R-2HG 很可能通过抑制 TET2 和其他表观通路促进癌症的起始。 FTO 作为 m6A 擦除器,对肿瘤起着关键的促进作用,而 R-2HG 可以抑制它这个功能。a, FTO 与 AML;b. R-2HG 靶向 FTO/m6A/MYC/CEBPA 轴,在白血病和脑肿瘤中显示出抗癌作用。 ALKBH5 与脑癌和乳腺癌 是第二种被发现的 m6A 去甲基化酶。何川和合作的研究团队发现,会影响 mRNA 的产出以及 RNA 代谢,通过 p53 信号通路调控小鼠精子发生和凋亡。在 2017 年底,有文章报道作为 GBM 和乳腺癌病理中的肿瘤蛋白,影响着这些肿瘤干细胞的自我更新和增殖。
案例3:Zhang S, et al. Cancer Cell. 2017 该研究发现,ALKBH5 的表达在胶质瘤干细胞样细胞(GSCs)中异常上调,这种高表达与 GBM 患者的不良预后相关。细胞和体内实验表明,沉默 ALKBH5 能降低 GSC 细胞的自我更新能力且抑制 GSC 增殖 / 抑制肿瘤生长。随后,研究者利用 meRIP 鉴定 m6A RNA 甲基化修饰模式,联合基因芯片检测差异表达>2 倍的基因,最终筛选到与胶质瘤增殖相关的转录因子 FOXM1,是 ALKBH5 的靶基因;再通过 qPCR、WB、免疫荧光、核质分离 WB/qPCR、RIP 和 MeRIP 等实验证明 ALKBH5 使 FOXM1 转录本去甲基化,增加 FOXM1 表达;此外,FOXM1 反义 lncRNA(FOXM1-AS)还能促进 FOXM1 与 ALKBH5 的相互作用。
同时也有报道称缺氧刺激 HIF1α和 HIF2α促进 ALKBH5 在缺氧的乳腺癌细胞中表达,ALKBH5 高表达可通过促进 m6A 去甲基化,提高 mRNA 稳定性和 NANOG 的表达4。
ALKBH5 在脑癌和乳腺癌中起着致癌作用。a. 增强 GSC 细胞的自我更新和增殖,在 FOXM1-AS 的帮助下,通过调控 FOXM1 表达,促进肿瘤发生;b. HIF 诱导的表达,参与上调多能因子表达和 BCSC 在缺氧环境的富集。 METTL3/14 与正常和恶性造血作用 METTL14 和 METTL3 是 m6A 甲基转移酶复合体的两个主要组件。
案例5:Weng H, et al. Cell Stem Cell. 2017
研究者发现 METTL14 在 HSPC 细胞以及携带有 t(11q23)、t(15;17) 或者 t(8;21) 的 AML 细胞中高表达,而在髓系分化的过程中下调,敲除 METTL14 则会促进正常的 HSPC 和 AML 细胞终末髓系分化,并且能够抑制 AML 细胞的存活 / 增殖。在机制上,METTL14 通过 m6A 修饰调节其靶基因(如:MYB,MYC)发挥致癌作用,并在蛋白质水平受 SPI1 的负调控。METTL14 在 AML 疾病以及白血病干 / 起始细胞(leukemia stem/initiation cells,LSCs/LICs)的发展以及维持过程中必不可少。总之,该研究揭示了 SPI1-METTL14-MYB/MYC 信号轴在髓细胞和白血病中的作用,并强调了 METTL14 调控 m6A 修饰在正常和恶性造血中的关键作用。
前段时间,有报道表明 METTL3 控制着哺乳动物正常造血细胞和白血病细胞的髓系分化6。METTL3 的表达上升,显著促进人脐带血来源的 CD34+ HSPC 增殖,并抑制其分化。与正常的 HSPC 或其他癌症相比,METLL3 在 AML 中表达更高。
最近另一项研究也证实 METTL3 是维持骨髓性白血病状态的关键。Barbieri 等人发现7,METTL3 和 METTL14 均可以与染色质结合,主要定位于不同的编码基因的转录起始位点 (TSSs),特征是有 H3K4me3 双峰。METTL3 的募集,靠的是 CEBPZ,即一种 CCAAT-box 结合因子。与启动子结合的 METTL3 是相关转录本 m6A 修饰所需的,它可以调控它们的翻译。 METTL14 和 METTL3 促进白血病发生。a, 在 AML 发展过程中是必需的,它通过 m6A 依赖机制,调控关键靶基因表达(如 MYB 和 MYC);b, METTL3 促进 AML 细胞增殖,并抑制髓系分化,这可能是通过促进潜在 mRNA 靶标的翻译实现的(如 MYB 和 BCL2);c, METTL3 被 CEBPZ 募集到靶基因的 TSS,它的潜在直接靶基因是 SP1 和 SP2,它们可调控 MYC 的表达。 METTL3 与 GBM 和肝癌 Cui 等人报道称 METTL3 的过表达显著促进 GSC 的分化8,同时抑制其自我更新和增殖,与 m6A GSC 分化过程中 m6A 水平上升的影响一致。一些 GSC 相关的基因是 m6A 修饰的特定靶基因,可通过控制 m6A 书写器和擦除器,影响表型。但同时也有另外一个研究团队报道了 GBM 的 METTL3 有着相反的功能9:METTL3 在 GSC 中高表达,但是在分化的过程中下调,这与分化时 m6A 的水平下降有关。动物实验和 GBM 患者临床数据分析表明,METTL3 在 GSC 的维持和辐射抵抗方面起着关键的致癌作用。
Ma 等人报道 METTL14 充当着肿瘤遏制物的作用10。他们对 130 个 HCC 患者样本进行分析,发现 METTL14 的表达下降与患者不良预后有关。而 Chen 等人报道 HCC 中的 METTL3 水平和 METTL14 水平均比正常组织高11;对 TCGA HCC 的数据分析发现 METTL3 水平提高与患者不良预后有关。经过体内和体外实验,他们证明 METTL14 和 METTL3 在 HCC 的生长和转移方面起着促进作用。
METTL3 与肺癌 METTL3 被报道在肺腺癌中上调12,促进肺癌细胞的生长、存活与侵袭。有趣的是,这项研究表明可能作为一个在细胞质 m6A 阅读器,通过与翻译起始机制相互作用,促进靶标 mRNA 转录本的翻译。不过,的催化活性可能仍然是它促进含 m6A 的靶标转录本所需的,因为它的靶点在细胞质加强翻译之前,需要在细胞核中添加 m6A 修饰。
METTL3 对肺癌的促进作用。通过促进靶 mRNA 转录本的翻译,增强肺癌细胞的生长、生存和侵袭(如 EGFR 和 TAZ)。 IGF2BP 促进癌症发生 直到目前为止,被报道得最多的 m6A 读写器是 YTH 结构域蛋白,包括 YTHDF1,YTHDF2,YTHDF3,YTDHDC1 和 YTHDC2。其中,YTHDF2、YTHDF3 和 YTHDC2 促进 m6A 修饰 mRNA 的降解。有趣的是,近来研究发现白血病细胞中1,大部分 mRNA 转录本的 m6A 丰度因为 FTO 的过表达而显著下降,mRNA 表达有下降趋势,这有可能是由于 m6A 丰度下降,使 RNA 稳定性下降。所以研究者推测,某些 m6A 阅读器可促进 mRNA 稳定性。
无独有偶,通过 m6A-oligo-pull down / 质谱分析和 m6A 结合蛋白预测分析,杨建华教授和陈建军教授合作研究团队最近证实 IGF2BP1/2/3 是一种新的 m6A 阅读器家族,可选择性识别 m6A 修饰(详细解读请点击此处)。
IGF2BP1/2/3 蛋白促进癌症。蛋白通过转录后调控关键靶 mRNA 的稳定性和翻译(比如 MYC),促进癌症细胞增殖、迁移和侵袭。 总结 上述的 m6A 修饰及其相关的调控蛋白在多种肿瘤起着关键的作用新研究进展,整理如下表:
在这些研究中,IGF2BP 蛋白相关研究着实是一个重大的发现:IGF2BP 蛋白有选择性地识别并结合到 m6A 修饰的 MYC mRNA CRD 区域,从而稳定 MYC mRNA 并促进翻译;相反,YTHDF2 有选择性地识别并结合到 m6 修饰的 5’ 端以及 MYC mRNA 中间外显子,从而促进 mRNA 降解。
在未来的研究中,研发更多 FTO 及其他 m6A 调控蛋白的选择性抑制剂,可能有助于研发针对各种癌症的有效治疗方案。特别是将这些抑制剂和其他治疗药物联合使用,可能治疗目前对有效药物耐药的癌种。事实上,研究者已经发现 R-2HG 和标准治疗药物(比如 ATRA、AZA、地西他滨和柔红霉素)有着协同作用。因此,研究不同癌种的不同组合用药效果是很重要的,可通过精准治疗,实现最优的治疗效果,最小的副作用。 表观生物 meRIP-seq 测序服务 为客户提供详尽的 RNA 甲基化研究方案:
欢迎点击此处了解更多 或拨打400-775-0875,QQ咨询: 746199904 原文:Deng X, et al. RNA N6-methyladenosine modification in cancers: current status and perspectives. Cell Research (2018) 0:1–11.
参考文献: 想获得下列全部文献的读者,可留言咨询,留下单位名称+邮箱地址,我们将把电子版发送至你邮箱
1. Li, Z. et al. FTO plays an oncogenic role in acutemyeloid leukemia as a N6-methyladenosine RNA demethylase. Cancer Cell 31,127–141 (2017). 2. Su, R. et al. R-2HG exhibits anti-tumor activity bytargeting FTO/m(6)A/MYC/ CEBPA signaling. Cell 172, 90–105 (2018). e123. 3. Zhang,S. et al. m6A demethylase ALKBH5 maintains tumorigenicity of glio- blastomastem-like cells by sustaining FOXM1 expression and cell proliferation program.Cancer Cell 31, 591–606 (2017). e596. 4. Zhang, C. et al. Hypoxia induces the breast cancer stem cell phenotype by HIF- dependent and ALKBH5-mediated m6A-demethylation of NANOG mRNA. Proc. Natl Acad. Sci. USA 113, E2047–E2056 (2016). 5. Weng, H. et al. METTL14 inhibits hematopoietic stem/progenitor differentiation and promotes leukemogenesis via mRNA m(6)A modification. Cell Stem Cell 22, 191–205 (2018). e199. 6. Vu, L. P. et al. The N6-methyladenosine (m6A)-forming enzyme METTL3 controls myeloid differentiation of normal hematopoietic and leukemia cells. Nat. Med.23, 1369–1376 (2017). 7.Barbieri, I. et al. Promoter-bound METTL3 maintainsmyeloid leukaemia by m(6) A-dependent translation control. Nature 552, 126–131(2017). 8. Cui, Q. et al. m6A RNA methylation regulates theself-renewal and tumorigenesis of glioblastoma stem cells. Cell Rep. 18,2622–2634 (2017). 9. Visvanathan, A. et al. Essential role of METTL3-mediated m(6)A modification in glioma stem-like cells maintenance and radioresistance. Oncogene 37, 522–533 (2018). 10. Ma, J. Z. et al. METTL14 suppresses the metastatic potential of hepatocellular carcinoma by modulating N(6) -methyladenosine-dependent primary microRNA processing. Hepatology 65, 529–543 (2017). 11. Chen, M. et al. RNA N6-methyladenosine methyltransferase METTL3 promotes liver cancer progression through YTHDF2 dependent post-transcriptional silencing of SOCS2. Hepatology (2017). 12. Lin, S. et al. The m(6)A methyltransferase METTL3 promotes translation in human cancer cells.Mol. Cell. 62, 335–345 (2016). |