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陈建军/何川/苏瑞团队首次揭示METTL16调控mRNA翻译及肿瘤发生的作用及机制

已有 1707 次阅读 2022-2-11 11:49 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流

北京时间2022年02月11日凌晨,美国希望之城国家医疗中心的陈建军教授、苏瑞助理教授,以及美国芝加哥大学的何川教授团队合作,于Nature Cell Biology杂志在线发表了题为“METTL16 exerts an m6A-independent function to facilitate translation and tumorigenesis” 的研究论文。


该研究首次揭示了METTL16同时兼备m6A甲基转移酶功能依赖(m6A-dependent)型以及非甲基转移酶依赖(m6A-independent)型的功能。

 
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表观转录组学(epitranscriptomics)主要研究RNA所携带的化学修饰对基因表达的影响,是分子生物学中心法则的拓展。近年来,作为真核生物mRNA上丰度最高的甲基化修饰,m6A(N6-methyladenosine)受到了极大的关注并不断引领着RNA表观遗传学的飞速发展。它可以起到一个开或关作用,调控着基因的表达或沉默。

 

在人体内,m6A主要由甲基转移酶复合体(methyltransferase complex)催化完成,其中METTL3和METTL14为其核心成员[1]。然而,同时敲除这两个基因仅导致50-60%的m6A位点修饰下降;同时,在全转录组水平上,大约有一半的m6A位点并不被METTL3-METTL14结合,这就预示着除了METTL3-METTL14,还存在其它的m6A甲基转移酶[2]。甲基转移酶样蛋白(METTLs)是一个具有S-腺苷甲硫氨酸结合域(SAM binding domain)的蛋白家族,包含30多种甲基转移酶蛋白。和METTL3 和METTL14需与其他辅助因子形成复合体发挥酶活作用不同,新近报道的METTL16可独立在个别靶基因(如MALAT1XISTMAT2A等)转录体上加载m6A修饰[3-5],但是其生物学功能以及相关的分子生物学机制还尚不清楚。

我们不禁会问,METTL16与METTL3和METTL14的甲基转移酶活性到底有何不同?利用RNA甲基化测序(MeRIP-seq),研究者发现METT16敲除确实能够引起mRNA m6A发生全局性去甲基化,但是整体下降的幅度低于 METTL3或者METTL14敲除(图1)。同时,研究者系统性地鉴定了METTL16特异的m6A依赖的(METTL16-specific; m6A-dependent)靶基因,并且证明了这些基因的甲基化修饰不受METTL3-METTL14的调控。此外,通过比较新生(nascent)mRNA以及成熟mRNA的MeRIP-seq, 研究者发现METTL16更倾向于介导nascent RNA的甲基化修饰,这说明METTL16催化m6A修饰具有时(新生RNA)空(细胞核)特异性。

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图1 利用MeRIP-seq比较敲除METTL3、METTL14和METTL16后m6A的变化差异

通过综合分析 METTL16 KO MeRIP-seq以及 METTL16 RNA免疫共沉淀测序(RIP-seq)的数据,研究者发现m6A依赖的靶基因占METTL16直接结合的所有mRNAs不足1/4。更有趣的是,m6A甲基化修饰往往富集在mRNA的CDS和3’UTR,而METTL16更倾向于结合在mRNA起始密码子附近。出乎意料的是,与主要分布在细胞核的METTL3和METTL14不同,研究者发现METTL16同时存在于细胞核和细胞质中。那么METTL16是否同时也发挥着不依赖于m6A的功能呢?大量分布于细胞质中的METTL16能否参与调控mRNA的翻译效率,而这种功能是否依赖于它甲基转移酶的活性呢?

为证明这一猜想,研究者利用蛋白质(λN peptide)-RNA(BoxB)拴链实验证明METTL16可以显著地促进蛋白质的翻译效率,并且这种促进并不依赖于其甲基转移酶的活性。此外,研究者还应用了表面标记翻译检测(Surface sensing of translation assay, SUnSET),体外翻译(in vitro translation)及多聚核糖体分析(Polysome profiling)等实验进一步证实了METTL16对mRNA翻译的影响。研究者还进一步通过翻译组测序(Ribosome profiling)及(RIP-seq)进一步筛选并发现了METTL16调控翻译的靶基因。

         

METTL16是通过什么分子机制调控mRNA翻译的呢?对于翻译来说,起始阶段(translation initiation)往往是其限速步骤[6]。研究者通过Far-Western blotting,免疫共沉淀(Co-IP)和邻位连接技术(proximity ligation assay,PLA)等方法证实了METTL16通过其甲基转移酶结构域(Mtase doamin)与翻译起始因子3a/b(eukaryotic initiation factor 3a/b, eIF3a/b)发生相互作用。更有意思的是,METTL16还通过其Mtase doamin直接结合及核糖体RNAs (rRNAs),包括18S rRNA, 5.8S rRNA和28S rRNA  − 这也是在国际上首次证实RNA甲基化酶蛋白与rRNAs的直接结合。METTL16通过与eIF3a/b和18S rRNA的直接结合促进了43S 起始前复合物(preintiation complex, PIC)的形成;随后METTL16通过与60S大亚基的28S和5.8S rRNAs直接结合进一步促进了80S核糖体的组装从而增强mRNA的翻译效率(图2)。同时,这一分子机制也与METTL16 RIP-seq的结果(METTL16的结合富集在mRNA翻译起始位点)吻合。


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图2 METTL16与eIF3a/b 及rRNAs相互作用促进翻译模式图

 

那么,METTL16调控m6A修饰以及促进mRNA翻译有何生理意义?

         

研究者分析了癌症依赖性图谱(Cancer Dependency Map, DepMap)[7]发现在所有METTL蛋白家族中,METTL16对肿瘤细胞的生存具有最重要的影响。在几乎所有的肿瘤细胞中,METTL16发挥着比METTL3和METTL14更为关键的促癌基因的功能。此外,TCGA数据库表明,METTL16在肝癌组织中显著高表达,且与肝癌病人的不良预后显著相关。在肝癌细胞系中敲除METTL16既可以降低mRNA m6A丰度,也可以明显抑制肝癌细胞的翻译水平。体外实验表明敲除METTL16显著抑制肿瘤细胞的生长、迁移和侵袭能力,且酶活缺失的METTL16仍可以大部分挽救METTL16敲除对肿瘤增殖的抑制作用,证明在肝癌中METTL16的功能不仅仅依赖于其甲基转移酶的功能还依赖于其对翻译的调控作用。小鼠皮下荷瘤模型同样提示METTL16显著影响肿瘤的生长。然而在正常肝细胞系中敲低METTL16并不会显著影响其增殖。

该研究的发现首次证实了在细胞核中,METTL16可以作为“写码器”参与催化mRNA特别是新生mRNA的m6A修饰;而在细胞质中,METTL16通过与eIF3a/b 及rRNAs直接结合促进80S核糖体的组装从而促进蛋白质的翻译效率,进而促进了肿瘤(如肝癌)的发生发展。这一结果提示靶向METTL16(尤其是Mtase doamin)有望成为一种潜在的肿瘤治疗新策略。

陈建军教授、苏瑞助理教授与何川教授为本文的通讯作者,美国希望之城国家医疗中心苏瑞助理教授,董磊博士,中山大学附属第一医院黎扬婵博士,江南大学高敏博士,河北医科大学刘伟博士以及芝加哥大学博士生P. Cody He(何川教授课题组)为本文共同第一作者。该工作得到了美国希望之城国家医疗中心的Chun-Wei David Chen教授,Wendong Huang教授、David Horne教授及Steven T. Rosen教授的大力支持和帮助。

 

相关论文信息:

DOI:10.1038/s41556-021-00835-2

 

参考文献

1.Liu, J. et al. (2014) A METTL3-METTL14 complex mediates mammalian nuclear RNA N6-adenosine methylation. Nat Chem Biol 10, 93-95. 10.1038/nchembio.1432

2.Schwartz, S. et al. (2014) Perturbation of m6A writers reveals two distinct classes of mRNA methylation at internal and 5' sites. Cell Rep 8, 284-296. 10.1016/j.celrep.2014.05.048

3.Pendleton, K.E. et al. (2017) The U6 snRNA m(6)A Methyltransferase METTL16 Regulates SAM Synthetase Intron Retention. Cell 169, 824-835 e814. 10.1016/j.cell.2017.05.003

4.Brown, J.A. et al. (2016) Methyltransferase-like protein 16 binds the 3'-terminal triple helix of MALAT1 long noncoding RNA. Proc Natl Acad Sci U S A 113, 14013-14018. 10.1073/pnas.1614759113

5.Warda, A.S. et al. (2017) Human METTL16 is a N(6)-methyladenosine (m(6)A) methyltransferase that targets pre-mRNAs and various non-coding RNAs. EMBO Rep 18, 2004-2014. 10.15252/embr.201744940

6.Sonenberg, N. and Hinnebusch, A.G. (2009) Regulation of translation initiation in eukaryotes: mechanisms and biological targets. Cell 136, 731-745. 10.1016/j.cell.2009.01.042

7.Tsherniak, A. et al. (2017) Defining a Cancer Dependency Map. Cell 170, 564-576 e516. 10.1016/j.cell.2017.06.010




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