Saikosaponin D通過(guò)靶向FTO/m6A信號(hào)治療白血病

急性髓系白血病(AML)的靶向治療的實(shí)施一直具有挑戰(zhàn)性。FTO是一種m6A去甲基酶，作為一種致癌基因，促進(jìn)白血病癌基因介導(dǎo)的細(xì)胞轉(zhuǎn)化和白血病發(fā)生。因此為大家介紹于2021年3月發(fā)表于影響因子為8.579的Theranostics上文章“Saikosaponin D exhibits anti-leukemic activity by targeting FTO/m6A signaling”。在這里，我們研究了Saikosaponin-d (SsD)在AML中廣泛的抗增殖作用中的作用，并通過(guò)靶向SsD的FTO來(lái)評(píng)估m6A去甲基化活性。SsD在體外和體內(nèi)均能廣泛抑制AML細(xì)胞增殖，促進(jìn)細(xì)胞凋亡和細(xì)胞周期阻滯。機(jī)制上，SsD直接靶向FTO，從而增加了m6A RNA的甲基化，降低了下游基因轉(zhuǎn)錄本的穩(wěn)定性，導(dǎo)致相關(guān)通路的抑制。重要的是，SsD還克服了FTO/m6A介導(dǎo)的白血病對(duì)酪氨酸激酶抑制劑的耐藥性?？傊?，FTO依賴的m6A RNA甲基化介導(dǎo)了SsD的抗白血病作用，使SsD成為一種治療白血病的藥物。

技術(shù)路線

結(jié)果

1）SsD在AML中表現(xiàn)出抗增殖活性

為了闡明SsD在白血病中的藥理作用，我們?cè)?/span>10個(gè)人白血病細(xì)胞系中探討了一系列SsD濃度的影響。我們發(fā)現(xiàn)SsD在大多數(shù)白血病細(xì)胞系中以劑量依賴的方式抑制細(xì)胞活力(圖1A)。為了進(jìn)一步研究SsD對(duì)白血病的抑制作用，我們?cè)?/span>4種白血病細(xì)胞系NB4、kas1、MV4-11和U937 (SsD敏感性排名前4位的細(xì)胞)進(jìn)行了集落實(shí)驗(yàn)。與細(xì)胞活力結(jié)果相似，SsD顯著抑制了所測(cè)細(xì)胞系的集落數(shù)量和大小(圖1B-E)。有趣的是，SsD對(duì)細(xì)胞增殖和活力的抑制可能是由于細(xì)胞周期阻滯在G1期和NB4細(xì)胞凋亡增加(圖1F-G)。

2）SsD響應(yīng)相關(guān)基因和通路的鑒定

為了進(jìn)一步確定可能與白血病細(xì)胞中SsD敏感性相關(guān)的潛在靶點(diǎn)，我們對(duì)SsD處理過(guò)的NB4細(xì)胞進(jìn)行了RNA測(cè)序。我們共發(fā)現(xiàn)3732個(gè)上調(diào)基因和3442個(gè)下調(diào)基因(圖2A)。為了揭示SsD的潛在機(jī)制，我們進(jìn)行了富集分析并研究了差異基因相關(guān)的通路。我們篩選了上調(diào)和下調(diào)基因富集的前10個(gè)通路(圖2B)。此外，我們使用GSEA研究SsD處理影響的信號(hào)通路(圖2C)。我們的數(shù)據(jù)顯示，SsD處理導(dǎo)致MYC靶點(diǎn)、E2F靶點(diǎn)和G2M檢查點(diǎn)信號(hào)級(jí)聯(lián)受到抑制。有趣的是，這些發(fā)現(xiàn)與FTO抑制劑和內(nèi)源性FTO的下調(diào)抑制的信號(hào)通路相一致。因此，SsD的抑制作用可能有助于FTO抑制細(xì)胞周期和增殖(圖2D-E)。此外，絕大多數(shù)通過(guò)FTO敲低而上調(diào)的信號(hào)通路對(duì)SsD富集，同樣，絕大多數(shù)被SsD抑制的信號(hào)通路也被FTO敲低而抑制(圖2F)。更重要的是，SsD介導(dǎo)的m6A相關(guān)基因的變化具有顯著的一致性(圖2G)。綜上所述，SsD可能參與了FTO介導(dǎo)的m6A RNA甲基化途徑。

3）FTO是SsD的直接靶點(diǎn)

基于基因芯片數(shù)據(jù)，SsD介導(dǎo)的白血病發(fā)生抑制主要是由于m6A通路，我們假設(shè)SsD可能調(diào)節(jié)白血病m6A RNA甲基化。我們確定了FTO在白血病發(fā)生中起作用。為了驗(yàn)證SsD與FTO的直接結(jié)合，我們首先基于已發(fā)表的FTO晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子對(duì)接分析。SsD的最佳結(jié)合位點(diǎn)表現(xiàn)出與底物結(jié)合位點(diǎn)互補(bǔ)的特殊形狀，占據(jù)了整個(gè)結(jié)合口袋(圖3A-B)。4個(gè)氨基酸殘基(R96, K216, E234, R332)參與了與SsD的相互作用(圖3C)，在抑制FTO活性方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。在NB4和Kas-1 AML細(xì)胞中，SsD與FTO蛋白的結(jié)合導(dǎo)致了明顯的熱轉(zhuǎn)移，表明對(duì)熱降解有保護(hù)作用(圖3D)。接著，我們利用NMR進(jìn)一步研究了FTO和SsD之間的相互作用，在滴定過(guò)程中觀察到信號(hào)的劑量依賴性衰減(圖3E)。這些結(jié)果表明，FTO干擾了SsD的狀態(tài)。接下來(lái)，我們使用LC-MS/MS定量分析了細(xì)胞對(duì)SsD的攝取(圖3F)。在NB4和Kas-1細(xì)胞中，SsD在0.05-0.14 nmol/百萬(wàn)細(xì)胞中檢測(cè)到。HPLC顯示SsD對(duì)體外FTO去甲基化的抑制活性(圖3G)。此外，在無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)中，斑點(diǎn)印跡試驗(yàn)證實(shí)了SsD介導(dǎo)的FTO活性競(jìng)爭(zhēng)性抑制(圖3H)。綜上所述， FTO是SsD的直接靶點(diǎn)，可能是SsD誘導(dǎo)的白血病細(xì)胞生長(zhǎng)抑制作用的主要介質(zhì)。

4）SsD通過(guò)直接抑制FTO m6A去甲基化活性來(lái)誘導(dǎo)m6A修飾

為了檢測(cè)m6A在RNA上的變化，我們?cè)?/span>SsD處理的白血病細(xì)胞中進(jìn)行了m6A點(diǎn)印跡實(shí)驗(yàn)。如圖4A所示，SsD顯著增加了m6A在轉(zhuǎn)錄組中的豐度。此外，HPLC-MS/MS定量證實(shí)了SsD處理的NB4和Kas-1細(xì)胞mRNA中細(xì)胞m6A的增加(圖4B)。接下來(lái)，我們檢測(cè)了FTO的兩個(gè)直接靶點(diǎn)MYC和RARA在SsD處理的細(xì)胞中的表達(dá)。SsD在mRNA和蛋白水平顯著下調(diào)了NB4和Kas-1細(xì)胞的MYC，而上調(diào)了RARA(圖4C-D)。有趣的是，SsD依賴的MYC和RARA的減少是由于FTO過(guò)表達(dá)細(xì)胞中mRNA和蛋白穩(wěn)定性的降低(圖4E-4H)。綜上所述，這些結(jié)果證明了FTO及其下游靶點(diǎn)(如MYC, RARA)是FTO過(guò)表達(dá)白血病細(xì)胞中SsD的主要效應(yīng)因子。

5）SsD可顯著抑制AML在體內(nèi)的進(jìn)展

為了研究SsD在體內(nèi)對(duì)白血病的治療效果，我們建立了C1498和FLT3+白血病小鼠模型(圖5A)。對(duì)照組小鼠的白細(xì)胞生長(zhǎng)較快。0.1 mg/kg或0.5 mg/kg劑量的SsD顯著抑制WBC生長(zhǎng)(圖5B)。與對(duì)WBC的抑制作用一致，SsD也有效地?fù)p害了骨髓(BM)克隆原性潛能(圖5C和5D)。此外，與對(duì)照組相比，接受SsD治療組的小鼠的脾臟更輕，表明SsD處理顯著逆轉(zhuǎn)了脾腫大，抑制了脾臟轉(zhuǎn)移性腫瘤細(xì)胞(圖5C和5E)。與病理表型一致，SsD處理小鼠的生存時(shí)間也明顯延長(zhǎng)(圖5F)。機(jī)制上，SsD在體內(nèi)的抗白血病作用是通過(guò)其m6A RNA甲基化活性介導(dǎo)的(圖5G)；因?yàn)?/span>SsD處理小鼠的BM增加了m6A RNA甲基化，從而調(diào)節(jié)靶基因(圖5H)。

6）SsD抑制患者原代細(xì)胞

我們從吉林大學(xué)第一醫(yī)院腫瘤組織/生物標(biāo)本庫(kù)獲取AML患者外周血，進(jìn)一步評(píng)估SsD對(duì)白血病進(jìn)展的影響。SsD顯著抑制了白血病細(xì)胞增殖(圖6A)、集落形成能力(圖6B)、誘導(dǎo)細(xì)胞周期阻滯(圖6C)。在機(jī)制上，這是由FTO介導(dǎo)的m6A RNA甲基化及其在SsD處理的原代細(xì)胞中的靶點(diǎn)調(diào)控的(圖6D-G)。當(dāng)我們使用“人-鼠”異種移植白血病模型來(lái)評(píng)估SsD在體內(nèi)對(duì)白血病進(jìn)展的影響時(shí)(圖6H)，與上述類似，使用SsD治療顯著抑制AML進(jìn)展，包括降低WBC，減少BM中的白血病母細(xì)胞，減少脾腫大，抑制肺轉(zhuǎn)移，延長(zhǎng)AML原代細(xì)胞異種移植小鼠的存活時(shí)間(圖6I-N)。因此，這些體內(nèi)研究結(jié)果表明SsD具有治療FTO介導(dǎo)的AML的潛力。

7）SsD克服了m6A介導(dǎo)的白血病對(duì)酪氨酸激酶抑制劑的耐藥性

由于FTO抑制使耐藥細(xì)胞對(duì)酪氨酸激酶抑制劑（TKI）治療敏感，我們檢測(cè)了SsD對(duì)TKI耐藥細(xì)胞的療效。我們發(fā)現(xiàn)SsD聯(lián)合尼洛替尼或PKC412在降低細(xì)胞活力方面更有效(圖7A)，這表明SsD顯著抑制了Kas-1NR和MV4-11PR細(xì)胞的增殖。細(xì)胞的分子特征也顯示TKIS介導(dǎo)的m6A低甲基化被挽救(圖7B-C)。雖然SsD沒(méi)有改變Kas-1NR和MV4-11PR細(xì)胞中ALKBH5、METTL3、YTHDF2的蛋白水平(圖7D)，但TKI上調(diào)的m6A相關(guān)基因MerTK、BCL-2和STAT3的表達(dá)受損(圖7E)。與上述結(jié)果一致，MerTK、BCL-2和STAT3在TKI耐藥細(xì)胞的mRNA和蛋白水平上更穩(wěn)定。然而，SsD治療降低了MerTK和BCL-2轉(zhuǎn)錄本的穩(wěn)定性，這隨后導(dǎo)致了它們的翻譯降低(圖7F和7G)。基因特異性m6A qPCR證實(shí)MerTK、BCL-2和STAT3的RNA或蛋白水平的變化是由m6A介導(dǎo)的mRNA穩(wěn)定性引起的。為了在體內(nèi)檢測(cè)這些效應(yīng)，我們將Kas-1尼洛替尼耐藥細(xì)胞移植給裸鼠。細(xì)胞接種后，為了保持耐藥表型，我們繼續(xù)每周兩次腹腔注射尼洛替尼，直到腫瘤體積接近100mm³。然后，隨機(jī)分組給予次優(yōu)劑量的SsD (圖7H)。SsD本身略微減緩了耐藥腫瘤的生長(zhǎng)(圖7I和7J)。在機(jī)制上，我們觀察到mRNA m6A甲基化的總體增加(圖7K)。

結(jié)論：我們的研究揭示了FTO/m6A修飾信號(hào)之間之前未被認(rèn)識(shí)到的聯(lián)系，并闡明了SsD在AML中的功能。該研究可能為靶向FTO/m6A的表轉(zhuǎn)錄組提供一個(gè)有前途的策略，并突出柴胡皂甙治療白血病的臨床潛力。