RNA甲基化近來(lái)很受高分期刊的親睞,讓我們一起看看近日中山大學(xué)藥學(xué)院王紅勝課題組在Nature Communications雜志發(fā)表的文章RNA m6A methylation regulates the epithelial mesenchymal transition of cancer cells and translation of Snail的研究思路。文章主要發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞上皮間質(zhì)化(EMT)過程中mRNA的m6A顯著上調(diào),其可通過促進(jìn)EMT關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子Snail的翻譯從而促進(jìn)腫瘤EMT及侵襲轉(zhuǎn)移。文中圖片及數(shù)據(jù)均來(lái)源于Lin X, Chai G, Wu Y, et al. RNA m6A methylation regulates the epithelial mesenchymal transition of cancer cells and translation of Snail. Nat Commun. 2019;10(1):2065. Published 2019 May 6. doi:10.1038/s41467-019-09865-9. (篇幅較長(zhǎng),耐心讀,一定受益匪淺) 文章的主要內(nèi)容為:與對(duì)照細(xì)胞相比,在腫瘤細(xì)胞EMT過程中,mRNAs的m6A修飾增加。敲低甲基轉(zhuǎn)移酶METTL3的表達(dá)或過表達(dá)ALKBH5可以抑制癌細(xì)胞遷移、侵襲和EMT。m6A-seq和功能實(shí)驗(yàn)顯示,Snail的表達(dá)受m6A動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié),并且過表達(dá)Snail能逆轉(zhuǎn)METTL3缺失導(dǎo)致的細(xì)胞EMT抑制。另外,Snail mRNA的CDS區(qū)而非3’UTR區(qū)的m6A修飾。功能研究擺明,Snail的CDS區(qū)域中的m6A可以通過與YTHDF1和eEF-2的相互作用而觸發(fā)其翻譯延伸。臨床數(shù)據(jù)顯示,腫瘤組織內(nèi)含有與癌旁組織相比, METTL3和YTHDF1的表達(dá)量更高,這導(dǎo)致肝癌患者的預(yù)后更差。 研究目的與意義:1974年首次發(fā)現(xiàn)m6A甲基化,它是一種RNA分子上的甲基化修飾,m6A修飾在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中是動(dòng)態(tài)可逆的,類似于DNA和組蛋白修飾的另一種表觀遺傳調(diào)控,近年來(lái)m6A甲基化已成為生命科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。通過諸多學(xué)者辛苦研究,結(jié)果表明在mRNA中發(fā)現(xiàn)的m6A修飾可以調(diào)節(jié)癌細(xì)胞的生命活動(dòng)。另外我們知道EMT是上皮細(xì)胞獲得間充質(zhì)細(xì)胞特質(zhì)的一種重要現(xiàn)象,通過EMT誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子(例如Snail,Slug,Twist和Zeb)來(lái)抑制e-cadheri的表達(dá)促進(jìn)癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移,此外,Snail是e-cadherin表達(dá)的重要轉(zhuǎn)錄因子,近年來(lái)圍繞EMT的表觀遺傳調(diào)控因素做了諸多研究,發(fā)現(xiàn)DNA甲基化及組蛋白修飾等均可參與腫瘤細(xì)胞EMT的發(fā)生發(fā)展,但mRNA修飾對(duì)腫瘤細(xì)胞EMT的影響尚未揭示。 研究結(jié)果: 一、癌細(xì)胞中EMT受mRNA的甲基化水平調(diào)控 作者從多個(gè)角度驗(yàn)證分析了EMT受mRNA的甲基化水平調(diào)控,雖然EMT可以被各種細(xì)胞外配體誘導(dǎo),但TGF-β被認(rèn)為是癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移過程的主要誘導(dǎo)因子。因此作者用10ng / ml TGF-β處理HeLa和HepG2細(xì)胞3天,觀察細(xì)胞,HeLa和HepG2細(xì)胞均分散并呈纖維細(xì)胞形態(tài)(下圖A)。 通過細(xì)胞刮擦、TGF-β處理以及Transwell檢測(cè)發(fā)現(xiàn)HeLa和HepG2細(xì)胞的傷口愈合(下圖B),侵襲能力(下圖C)均顯著增加;通過qRT-PCR觀察到FN1和MMP2 mRNA上調(diào)且CDH1(E-Cad)mRNA下調(diào)(下圖D)。 通過蛋白質(zhì)印跡分析進(jìn)一步證實(shí)了這些TGF-β誘導(dǎo)的EMT標(biāo)志物表達(dá)的變化(下圖E)。 以上所有這些數(shù)據(jù)表明用TGF-β處理的癌細(xì)胞正在進(jìn)行EMT過程。 然后,作者研究了經(jīng)歷EMT的癌細(xì)胞的mRNA中m6A水平的變化。通過LC-MS/MS分析,使用來(lái)自同一批次的標(biāo)準(zhǔn)樣品的標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算定量?;谛?zhǔn)曲線計(jì)算m6A與A的比率,發(fā)現(xiàn)通過TGF-β處理, HeLa和HepG2細(xì)胞中m6A水平的mRNA比對(duì)照細(xì)胞更豐富。 此外,通過斑點(diǎn)印跡分析獲得的結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了這一點(diǎn)。 類似地,用TGF-β處理的Huh7和A549細(xì)胞得到的結(jié)果與上述結(jié)果一致; 總的來(lái)說,這些數(shù)據(jù)顯示經(jīng)歷EMT的癌細(xì)胞增加m6A水平的mRNA。 為了證明m6A在EMT過程中的作用,作者使用CRISPR / Cas9編輯系統(tǒng),在HeLa細(xì)胞中敲低METTL3,形成 METTL3Mut/? HeLa細(xì)胞。下圖是METTL3在野生型及METTL3Mut/? HeLa細(xì)胞中的蛋白表達(dá)情況。 進(jìn)一步通過LC-MS/MS分析,結(jié)果顯示,METTL3 Mut/? HeLa 細(xì)胞的m6A水平顯著低于野生型細(xì)胞,這也證實(shí)了METTL3作為mRNA的m6A具有介導(dǎo)催化作用。 得到這個(gè)結(jié)果后,作者對(duì)METTL3Mut/? HeLa 細(xì)胞EMT特性進(jìn)行了評(píng)估,依舊使用細(xì)胞傷口愈合能力及細(xì)胞體外侵襲能力來(lái)檢測(cè),結(jié)果顯示:與野生型相比,METTL3Mut/? HeLa 細(xì)胞的傷口愈合能力及體外侵襲能力均受到抑制; 使用同樣的方法,在Huh7和HepG2細(xì)胞中出現(xiàn)類似結(jié)果; 此外,作者發(fā)現(xiàn),在METTL3Mut/? HeLa細(xì)胞中,MMP2和FN在mRNA和蛋白水平下調(diào),而E-Cad 在mRNA和蛋白水平上調(diào)。E-cadherin(由CDH1基因編碼)的降低被是EMT發(fā)生的基礎(chǔ)。 接著,作者在在Huh7和HepG2細(xì)胞中進(jìn)一步驗(yàn)證,通過蛋白質(zhì)印跡分析證實(shí),敲低METTL3,可降低MMP2和FN,同時(shí)增加了E-Cad。 這些數(shù)據(jù)表明METTL3的缺失可以抑制癌細(xì)胞EMT的發(fā)生; 作者進(jìn)一步驗(yàn)證m6A水平在EMT中的作用,作者在HeLa細(xì)胞中過表達(dá)ALKBH5,它是哺乳動(dòng)物mRNA37的關(guān)鍵m6A脫甲基酶。數(shù)據(jù)顯示ALKBH5的過表達(dá)降低了HeLa細(xì)胞中FN和MMP2的mRNA。 進(jìn)一步通過蛋白質(zhì)印跡分析顯示ALKBH5的過表達(dá)增加了E-Cad,同時(shí)降低了HeLa細(xì)胞中的MMP2和FN。 此外,在METTL3Mut/?HeLa和Mett13敲低的Huh7細(xì)胞中恢復(fù)了由TGF-β誘導(dǎo)的E-Cad下調(diào)和FN上調(diào)。 根據(jù)上述數(shù)據(jù)已經(jīng)知道METTL3的缺失可以抑制癌細(xì)胞EMT的發(fā)生,作者進(jìn)一步研究了METTL3的臨床作用。TCGA數(shù)據(jù)顯示,METTL3在肝癌組織中的表達(dá)顯著高于癌旁組織。 在364名肝癌患者中,METTL3的表達(dá)與CDH1 mRNA呈負(fù)相關(guān)。這種關(guān)聯(lián)與上述數(shù)據(jù)呈現(xiàn)結(jié)果一致 。 根據(jù)Bertero等的報(bào)道,TGF-β可通過Smad2 / 3與METTL3-METTL14- WTAP復(fù)合物之間的相互作用誘導(dǎo)人胚胎干細(xì)胞(hESCs)中的mRNA甲基化。通過使用Smad2 / 3抑制劑B431542(10μM)預(yù)處理HeLa細(xì)胞,然后用TGF-β進(jìn)一步處理3天,通過LC-MS/MS測(cè)定總mRNA的m6A 與A的比例,來(lái)計(jì)算m6A在mRNA上整體的甲基化程度。發(fā)現(xiàn)Smad2/3抑制劑SB431542(SB)可以阻礙TGF-β誘導(dǎo)的HeLa細(xì)胞中m6A的上調(diào)。 根據(jù)以上數(shù)據(jù),可表明:mRNA中的總m6A水平可以促進(jìn)癌細(xì)胞的EMT。 二、EMT的細(xì)胞,m6A會(huì)調(diào)控其它基因的變化 為了研究在m6A修飾在特定基因中的變化,作者通過m6A測(cè)序,定位了進(jìn)行EMT的HeLa細(xì)胞的m6A甲基化組,發(fā)現(xiàn):GGAC motif在對(duì)照和EMT細(xì)胞中的m6A位點(diǎn)內(nèi)高度富集,另外,m6A的峰主要出現(xiàn)在起始密碼子和終止密碼子附近。 作者利用m6A-seq結(jié)果進(jìn)一步分析了mRNA的總m6A分布情況。 觀察到對(duì)照和EMT細(xì)胞中總m6A分布的類似, m6A峰主要富集外顯子區(qū)域; 接著作者將對(duì)照與EMT細(xì)胞進(jìn)行比較,共鑒定了128個(gè)基因,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在表達(dá)水平上,EMT細(xì)胞的m6A是對(duì)照的1.5倍。 這128個(gè)基因GO富集分析表明,少數(shù)基因與經(jīng)歷EMT的癌細(xì)胞中的黏附連接以及肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架的形成有關(guān)。 總的來(lái)說,m6A-seq數(shù)據(jù)顯示m6A修飾發(fā)生在EMT期間與細(xì)胞連接,粘附和遷移相關(guān)的少數(shù)基因上。 三、Sainl參與癌細(xì)胞中m6A水平調(diào)節(jié)EMT 為了驗(yàn)證Sainl是參與m6A調(diào)節(jié)的癌細(xì)胞EMT的潛在靶點(diǎn),作者通過在EMT期間鑒定84個(gè)EMT的相關(guān)基因和61 個(gè)m6A調(diào)節(jié)基因(大于2倍m6A變化),最終確定了四個(gè)重疊基因。分別為SANI1、CTGF、MSN、CTNNB1,在四種鑒定的基因中,Snail被認(rèn)為是控制EMT的重要轉(zhuǎn)錄因子。作者的數(shù)據(jù)證實(shí)Sainl mRNA被m6A修飾,并且在EMT進(jìn)展期間在CDS和3'UTR區(qū)域中m6A的顯著富集,另外,作者通過RIP技術(shù),發(fā)現(xiàn)在EMT細(xì)胞中,m6A水平的Sainl-mRNA顯著增加,富集倍數(shù)與對(duì)照相比約為2.3倍。 接下來(lái),作者研究了在HeLa細(xì)胞中敲低METTL3、以及過表達(dá)ALKBH5時(shí)Snail蛋白的表達(dá)情況,。在METTL3缺失和ALKBH5過表達(dá)的兩種情況下,作者觀察到HeLa和HepG2細(xì)胞中Snail蛋白水平的降低而ZEB1表達(dá)沒有變化。 為了證實(shí)m6A對(duì)Snail表達(dá)有作用,作者用TGF-β處理野生型和METTL3Mut /-HeLa細(xì)胞。結(jié)果顯示,在METTL3Mut /-HeLa細(xì)胞中,TGF-β誘導(dǎo)的Snail表達(dá)低于對(duì)照細(xì)胞,這表明m6A參與TGF-β誘導(dǎo)的癌細(xì)胞中Snail的表達(dá)。 作者進(jìn)一步研究了Snail在m6A觸發(fā)的癌細(xì)胞EMT中的作用,Snail的過表達(dá),會(huì)使HeLa細(xì)胞中由于METTL3缺失而減弱傷口愈合受到抑制。 同樣的,METTL3Mut /-HeLa細(xì)胞中,Snail的過表達(dá)抑制了FN的下調(diào)和E-Cad的上調(diào)。 這些數(shù)據(jù)表明,Snail參與癌細(xì)胞中m6A調(diào)節(jié)的EMT。 四、m6A促進(jìn)癌細(xì)胞中Snail mRNA的翻譯 作者進(jìn)一步研究m6A甲基化調(diào)節(jié)Snail表達(dá)的機(jī)制。首先,作者檢測(cè)了Snail的pre-mRNA和mat-mRNA的表達(dá)。令人驚訝的是,在敲低METTL3的細(xì)胞中Snail的pre-mRNA和mat-mRNA的表達(dá)都顯著增強(qiáng)。然而,野生型和敲低METTL3的細(xì)胞中的啟動(dòng)子活性沒有差異,表明Snail的轉(zhuǎn)錄不受m6A的影響。 接著作者通過分離細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)的RNA,發(fā)現(xiàn)野生型和敲低METTL3的細(xì)胞之間Snail mRNA的亞細(xì)胞定位沒有差異。 用Act-D處理野生型和METTL3Mut /-HeLa細(xì)胞以阻斷轉(zhuǎn)錄。結(jié)果顯示野生型細(xì)胞中pre-mRNA和mat-mRNA的半衰期顯著短于METTL3Mut /-HeLa 細(xì)胞。表明m6A修飾可能引發(fā)pre-mRNA的剪切和癌細(xì)胞中Snail mat-mRNA的降解。 另外作者補(bǔ)充證實(shí),Snail是YTHDF2的靶標(biāo),其負(fù)責(zé)m6A介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄物的mRNA去穩(wěn)定化。過量表達(dá)YTHDF2可降低HeLa細(xì)胞中成熟Snail mRNA的表達(dá)和穩(wěn)定性; 然后,假設(shè)METTL3Mut /-HeLa細(xì)胞中Snail蛋白的下調(diào)可能是由于蛋白質(zhì)穩(wěn)定性或翻譯效率引起的。為了證實(shí)這一點(diǎn),用蛋白翻譯抑制劑CHX處理野生型和METTL3Mut /-HeLa細(xì)胞。 通過Wester-blot印跡分析的結(jié)果顯示,野生型和METTL3Mut /-HeLa細(xì)胞之間Snail蛋白的半衰期相似; 這表明m6A誘導(dǎo)的Snail表達(dá)與蛋白穩(wěn)定性無(wú)關(guān)。 此外,作者用MG132預(yù)處理METTL3Mut /-HeLa細(xì)胞以抑制蛋白體外酶活性和使用CHX阻斷蛋白翻譯,然后用TGF-β處理。結(jié)果數(shù)據(jù)顯示,在CHX而非MG132存在下, TGF-β誘導(dǎo)的METTL3Mut /-HeLa細(xì)胞中的Snail表達(dá)減弱。 隨后作者將Snail CDS連接到多克隆位點(diǎn)(MCS)構(gòu)建了pmirGLO-Snail熒光素酶報(bào)告基因。 雙熒光素酶測(cè)定顯示,Snail在METTL3Mut /-HeLa細(xì)胞中的翻譯效率顯著低于野生型細(xì)胞。 表明m6A誘導(dǎo)的Snail表達(dá)與翻譯調(diào)控有關(guān)。 下面作者對(duì)RNA進(jìn)行分類,通過多聚核糖體分析,發(fā)現(xiàn)METTL3Mut /-HeLa細(xì)胞中80S的核糖單體和多聚核糖體都低于野生型細(xì)胞。 另外,qRT-PCR顯示:METTL3Mut /-HeLa細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄活躍的多核糖體(> 80S)中的Snail mRNA顯著低于野生型細(xì)胞。 作者在EMT細(xì)胞與野生型細(xì)胞中進(jìn)行多聚核糖體分析,發(fā)現(xiàn)二者相似。 值得注意的是, EMT的癌細(xì)胞的多聚核糖體(> 80S)中SNAI1 mRNA增加;
五、SNAI1 CDS區(qū)域中的m6A是表達(dá)調(diào)控的主要位置 作者通過對(duì)m6A-RIP測(cè)序,數(shù)據(jù)顯示CDS區(qū)域中m6A峰值位于第20條染色體上,48,600,490 to 48,600,630且在3 'UTR。 作者鑒定了3個(gè)GGAC motif,分別位于CDS區(qū)域和Snail mRNA的3'UTR區(qū)域; 這個(gè)結(jié)果與m6A RIP-seq鑒定的峰的位置和量是一致的。然后通過免疫沉淀法收集片段化RNA進(jìn)一步驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)CDS區(qū)域中的m6A甲基化可能比3'UTR中的m6A甲基化更具動(dòng)態(tài); 下面作者對(duì)m6A甲基化對(duì)SNAI13'UTR及CDS區(qū)域分別作了詳細(xì)研究。 首先,作者為了研究m6A甲基化對(duì)SNAI1 3'UTR區(qū)的潛在作用,作者再次構(gòu)建熒光素酶報(bào)告基因,分別為:WT-3’UTR、MUT1-3’UTR、MUT2-3’UTR。 結(jié)果發(fā)現(xiàn),與對(duì)照細(xì)胞的翻譯沒有差異。 這表明3'UTR上的m6A甲基化可能不參與m6A修飾調(diào)節(jié)的Snail表達(dá); 然后作者研究了CDS區(qū)域的m6A甲基化是否可以調(diào)節(jié)Snail的表達(dá)。首先,生成一個(gè)僅包含Snail CDS的表達(dá)式構(gòu)建體。與pcDNA / ZEB1共轉(zhuǎn)染Snail CDS,其表達(dá)不受m6A甲基化調(diào)節(jié),以保證轉(zhuǎn)染效率正常。結(jié)果顯示,METTL3Mut細(xì)胞中Snail的表達(dá)顯著降低,而ZEB1的表達(dá)未受影響,表明CDS中的m6A甲基化與m6A介導(dǎo)的Snail表達(dá)密切相關(guān)。其次,作者將m6A的GGAC motif突變?yōu)镚GCC(CDS-mut1)。將附近的GGAA突變?yōu)镚GCA用于比較(CDS- mut2)。
總之,結(jié)果數(shù)據(jù)表明SNAI1 CDS區(qū)域中的m6A是表達(dá)調(diào)控的主要位置; 我們知道,YTHDF1作為RNA甲基化的讀取器,具有識(shí)別m6A mRNA的功能。作者對(duì)YTHDF1是否參與SNAI1 mRNA的m6A甲基化進(jìn)行了驗(yàn)證。利用RIP-PCR技術(shù),發(fā)現(xiàn)YTHDF1顯著富含SNAI1 mRNA,而這種相對(duì)富集在METTL3Mut 細(xì)胞中被抑制。并且YTHDF1主要與SNAI1 的CDS區(qū)域相互作用; 為了進(jìn)一步驗(yàn)證這個(gè)結(jié)果,作者在HeLa細(xì)胞中敲低了YTHDF1的表達(dá),結(jié)果發(fā)現(xiàn)HeLa細(xì)胞中由TGF-β誘導(dǎo)的Snail表達(dá)也降低了; 由于真核生物的翻譯延伸是由兩個(gè)延伸因子作用進(jìn)行的,:eEF-1和eEF-2,作者觀察了MetE13Mut -HeLa細(xì)胞中eEF-1和eEF-2結(jié)合Snail mRNA的變異。數(shù)據(jù)顯示,在METTL3Mut-HeLa細(xì)胞中Snail mRNA和eEF-2之間的結(jié)合顯著低于HeLa細(xì)胞中的結(jié)合。 此外,通過蛋白定性分析表明,得到了類似的結(jié)果。 這些數(shù)據(jù)統(tǒng)一表明YTHDF1和eEF-2可能是m6A誘導(dǎo)的癌細(xì)胞中Snail mRNA翻譯延伸的因素。 六、m6A與癌細(xì)胞發(fā)展有關(guān) 作者用了三個(gè)動(dòng)物群組來(lái)研究m6A甲基化對(duì)癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移的潛在影響。 首先,將sh-control和sh-METTL3 Huh7細(xì)胞皮下注射到裸雌性小鼠中。 當(dāng)腫瘤體積為每組約100mm 3時(shí),殺死小鼠。 IHC結(jié)果顯示,METTL3的降低,導(dǎo)致異種移植腫瘤組織中Snail,F(xiàn)N和Vim的表達(dá)水平下降,這表明當(dāng)腫瘤體積約100mm3時(shí),METTL3的敲低可降低Huh7細(xì)胞的EMT和Snail表達(dá)。 為了進(jìn)一步確定m6A甲基化對(duì)體內(nèi)轉(zhuǎn)移的影響,分別對(duì)BALB/c裸鼠進(jìn)行尾靜脈注射。注射后8周,對(duì)轉(zhuǎn)移性腫瘤進(jìn)行分析。與對(duì)照細(xì)胞相比,來(lái)自sh-METTL3 Huh7細(xì)胞的肺腫瘤的數(shù)量顯著減少,表明METTL3的下調(diào)可抑制體內(nèi)腫瘤轉(zhuǎn)移。 進(jìn)一步研究Snail是否參與m6A調(diào)節(jié)的體內(nèi)轉(zhuǎn)移,將HeLa WT,METTL3Mut /- HeLa,HeLaSnail和Mettl-Mut /- HeLaSnail細(xì)胞尾靜脈注射到裸鼠中。體內(nèi)數(shù)據(jù)顯示,與HeLa WT細(xì)胞相比,源自METTL3Mut /- HeLa細(xì)胞的肺腫瘤數(shù)量顯著減少;然而,過量表達(dá)Snail會(huì)減弱METTL3Mut /- HeLa細(xì)胞對(duì)體內(nèi)轉(zhuǎn)移性腫瘤的抑制作用; 這表明Snail參與了METTL3的體內(nèi)轉(zhuǎn)移作用。 目前數(shù)據(jù)已經(jīng)可以證明敲低METTL3,可以降低Snail的表達(dá),以及HepG2 和 Huh7 細(xì)胞的體外侵襲和EMT,然后作者研究了m6A與臨床開發(fā)有何聯(lián)系?肝癌組織與癌旁組織相比,在肝癌組織中METTL3和YTHDF1的表達(dá)上調(diào);且肝癌腫瘤組織的T1至T4期,YTHDF1表達(dá)水平顯著升高; 此外,YTHDF1的表達(dá)與肝癌癌癥患者中的SNAI1 mRNA正相關(guān)。另外觀察到METTL3從正常肝臟到肝硬化再到肝癌組織中表達(dá)水平持續(xù)上升。 作者使用組織微陣列檢查了100例肝癌組織中的蛋白質(zhì)表達(dá)。IHC分析證實(shí),在測(cè)量的100個(gè)肝癌中,METTL3的表達(dá)與Snail的表達(dá)正相關(guān)。 最終,作者證實(shí)METTL3、YTHDF1、Snail表達(dá)增加的肝癌患者,總體存活率降低。 |
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