《自然·代谢》:中山一院团队发现肝癌新发病机制

来源：奇点蛋糕2022-11-04 11:08

在本研究中，有充分的证据表明，METTL5调控的18S rRNA的m6A修饰是保证80S核小体正确募集和装配的必要条件，从而维持mRNA的稳定翻译，促进脂肪酸的过量产生和氧化，将细胞转化为癌细胞。

近年来，越来越多的研究表明，RNA的表观遗传修饰在肿瘤的发生发展中起着重要作用，其中N6-腺苷酸甲基化(m6A)是最常见的一种[1]。然而，核糖体RNA(rRNA)m6A修饰在癌症中的功能及其分子机制尚未完全阐明。

近日，中山大学附属第一医院林水斌、匡明、彭穗领导的研究团队在著名期刊《自然 代谢》上发表了重要研究成果[2]。

他们发现甲基转移酶METTL5介导的18S RNA m6A修饰的缺失可以抑制80S核糖体的组装和聚集，从而减少脂肪酸代谢相关基因的mrna翻译，包括乙酰辅酶a合成酶家族成员(ACSL)。另一方面，ACSL4还可以通过调节脂肪酸的代谢来影响METTL5的功能。在体内靶向ACSL4和METTL5可以抑制肝癌的发生发展。

本研究阐明了rRNA表观遗传修饰、mRNA翻译和脂肪酸代谢之间的关系，为肝癌靶向治疗策略的制定提供了分子基础。

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肿瘤细胞具有细胞核增大、核仁结构异常的特点，与普通细胞不同，使肿瘤细胞能够快速无限增殖。

其中，核仁在rRNA的转录和核糖体的产生中起着重要的作用。随着核仁结构的异常，肿瘤细胞内会同时发生核糖体产生和mRNA转录紊乱，从而快速合成癌细胞增殖所需的蛋白质。然而，肿瘤细胞中异常核糖体产生的原因尚未查明[3-4]。

理解这整件事还是有点困难。毕竟核糖体的产生是一个高度协调的过程。在这个过程中，核糖核蛋白需要包裹rRNA，rRNA构成了基因转录和翻译的主要场所。目前我们掌握的线索是，核糖体产生的过度激活会引起mRNA转录异常和蛋白质翻译的改变，从而重塑细胞的代谢过程，逐渐转化为癌细胞[5]。

逃避困难很容易。也许我们可以从核糖体的重要组成成分之一rRNA来考察。

rRNA会通过影响核糖体产生而致癌吗？最近的研究表明，不同RNA的转录后修饰与基因表达和癌症发生密切相关。然而，尽管rRNA占细胞总RNA的80%，但大多数研究都集中在mRNA修饰与肿瘤的关系上，对rRNA修饰在rRNA加工和癌症中的作用知之甚少。

已知rRNA的m6A修饰通常由不同的酶催化并发生在特定的位点，其中甲基转移酶METTL5和ZCCHC4分别介导18S rRNA的1832位点和28S rRNA的4220位点的甲基化(m6A1832，m6A4220)[6-7]。那么，rRNA的m6A修饰在细胞乃至生命体中起什么作用呢？

研究人员首先分析了TCGA数据库中的20种癌症类型，发现甲基转移酶METTL5及其相互作用蛋白TRMT112在80%的癌症类型中高表达，包括肝细胞癌(HCC)。此外，METTL5-TRMT112的表达与HCC的恶性程度和不良预后密切相关。细胞系和HCC患者的样品检测结果与数据库分析一致。

进一步的实验表明，METTL5在肝癌细胞系中的过表达能够显著促进肿瘤细胞的生长、增殖、迁移和侵袭。同时，动物水平的小鼠体内成瘤结果与体外细胞克隆结果一致。相应地，通过敲低METTL5的表达，抑制了肝癌细胞的生长、增殖、迁移和侵袭，增加了凋亡细胞的比例。此外，功能获得和功能丧失实验都显示了METTL5的促癌作用。

为了探索甲基转移酶metl5影响肿瘤的机制，研究人员利用RNA共沉淀(RIP)技术检测到metl5被敲除后，18S rRNA的m6A修饰水平显著下降。单碱基延伸和连接的qPCR扩增(选择)技术证实METTL5可以动态调节18S rRNA的A1832位点的m6A修饰。

值得注意的是，METTL5敲除只影响18S rRNA的修饰，不影响其表达。

考虑到18S rRNA是核糖体的主要成分，研究人员推测18S rRNA的m6A修饰可能与核糖体的产生和功能有关。

的确，在METTL5敲除的细胞中，80S核糖体的峰值和蛋白质的合成速率降低。进一步，研究人员通过RIP-qPCR和凝胶阻断实验(EMSA)发现，METTL5介导的18S rRNA的m6A修饰是核糖体大亚基蛋白24(RPL24)与18S rRNA相互作用的必要条件，从而保证了80S核糖体的募集和mRNA的翻译。

然后

，研究人员试图找到受METTL5影响的主要mRNA。

他们对敲除METTL5的肝癌细胞进行了核糖体图谱测序（Ribo-seq），对翻译效率（TEs）下调的mRNA进行京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路富集分析。结果显示，这些受METTL5影响的mRNA被富集在多个重要的通路里，包括脂肪酸代谢相关通路。

不仅如此，可在敲低METTL5的细胞中观察到，游离脂肪酸、甘油三酯、均减少。同位素示踪与液相质谱（LC-MS）实验则表明，METTL5缺失主要影响长链脂肪酸，尤其是多不饱和脂肪酸（PUFAs）的生成，脂肪酸的氧化也降低。以上结果均显示了METTL5在调节HCC细胞脂肪酸代谢中具有重要作用。

此外，研究人员发现具有 5 端寡嘧啶（5 TOP）基序的mRNA转录本更倾向于被METTL5调控，而这种TOP mRNA已被报道与核糖体的生成有关[8]。

随后，他们锁定了乙酰辅酶A合成酶长链家族（ACSL）。他们发现，ACSL富集在METTL5敲除后发生改变的脂肪酸代谢通路中，且ACSL4具有典型的5 TOP基序。荧光素酶报告实验显示，5 TOP基序对于METTL5促进ACSL4 mRNA的翻译十分重要。敲低METTL5后，ACSL蛋白水平降低。

更有趣的是，研究人员发现，在敲除METTL5的细胞中回补ACSL4能够升高脂肪酸的合成与氧化，并促进HCC的恶性进展。如果在肝脏特异性敲除的小鼠中敲低ACSL4，则能够进一步降低肝癌肿瘤的大小，抑制肿瘤的发展。

综上所述，这项研究用充足的证据表明，METTL5调控的18S rRNA的m6A修饰是确保80S核小体正确募集组装的必要条件，从而维持mRNA的稳定翻译，促进脂肪酸的过度生成与氧化，使细胞转化为癌细胞。

更重要的是，该项研究为靶向METTL5与ACLS4的HCC治疗提供了强有力的证据，未来该靶点有望在临床医药方面得到开发。

参考文献：

[1] Chen XY, Zhang J, Zhu JS. The role of m6A RNA methylation in human cancer. Mol Cancer. 2019;18(1):103.

[2] Peng H, Chen B, Wei W, et al. N6-methyladenosine (m6A) in 18S rRNA promotes fatty acid metabolism and oncogenic transformation. Nat Metab. 2022;4(8):1041-1054.

[3] Hanahan D, Weinberg RA. Hallmarks of cancer: the next generation. Cell. 2011;144(5):646-674.

[4] Zink D, Fischer AH, Nickerson JA. Nuclear structure in cancer cells. Nat Rev Cancer. 2004;4(9):677-687.

[5] Bursać S, Prodan Y, Pullen N, Bartek J, Volarević S. Dysregulated Ribosome Biogenesis Reveals Therapeutic Liabilities in Cancer. Trends Cancer. 2021;7(1):57-76.

[6] van Tran N, Ernst FGM, Hawley BR, et al. The human 18S rRNA m6A methyltransferase METTL5 is stabilized by TRMT112. Nucleic Acids Res. 2019;47(15):7719-7733.

[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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