癌癥相關(guān)的METTL14突變誘導(dǎo)異常的m6A修飾，影響腫瘤生長(zhǎng)

       甲基轉(zhuǎn)移酶樣3（METTL3）/METTL14的復(fù)合物主要催化m6A修飾，影響mRNA的穩(wěn)定性。盡管METTL14 R298P突變?cè)诙喾N癌癥類型中被發(fā)現(xiàn)，但是其生物學(xué)作用還未被完全理解。在這里，研究展示了雜合R298突變促進(jìn)了癌癥細(xì)胞增殖，而純合突變減少增殖。甲基化RNA免疫沉淀測(cè)序分析表明，R298P突變減少了典型基序上的m6A修飾。而且，這種突變誘導(dǎo)了m6A修飾的異?；?，這只在含有純合突變的細(xì)胞系中是最明顯的。對(duì)m6A修飾位點(diǎn)的異常識(shí)別改變了周圍典型基序的甲基化效率。一個(gè)例子是c-MET mRNA，它高度甲基化，規(guī)范基序靠近異常甲基化位點(diǎn)。因此，c-MET mRNA嚴(yán)重不穩(wěn)定，降低c-Myc表達(dá)并抑制細(xì)胞增殖。這些數(shù)據(jù)表明METTL14 R298P突變影響m6A修飾的靶識(shí)別，擾亂基因表達(dá)模式和細(xì)胞生長(zhǎng)。本研究于2023年7月發(fā)表于《Cell Rep》上，IF：8.8。

圖形摘要

技術(shù)路線

主要研究?jī)?nèi)容

1、雜合子和純合子METTL14 R298P突變對(duì)癌細(xì)胞增殖的影響相反

       為了研究癌癥相關(guān)的METTL14 R298P突變?nèi)绾斡绊憁6A甲基化模式及其生物學(xué)后果，研究首先利用基于CRISPR-Cas9的同源重組建立了攜帶METTL14 R298P突變的子宮內(nèi)膜癌細(xì)胞系（HEC108），并成功獲得了在雜合狀態(tài)（METTL14^+/Mu）或純合狀態(tài)（METTL14^Mu/Mu）下攜帶METTL14 R298P突變的多個(gè)克隆，并插入用于增加同源重組的沉默突變（SMs）（圖1B和1C）。研究觀察到METTL14 R298P突變不影響METTL14或Mettl3的蛋白表達(dá)（圖1D）。此外，與公共數(shù)據(jù)庫(kù)中METTL14在HEC108細(xì)胞中的拷貝數(shù)為2一致，研究觀察到研究建立的METTL14突變的HEC108細(xì)胞系中也含有METTL14基因的兩個(gè)拷貝（圖1E和1F）。

       然后，研究在體外和體內(nèi)評(píng)估了METTL14 R298P突變?nèi)绾斡绊懠?xì)胞增殖。與野生型（METTL14^+/+）細(xì)胞相比，攜帶METTL14^+/Mu突變的HEC108細(xì)胞在體外表現(xiàn)出更強(qiáng)的細(xì)胞增殖率（圖2A）。相反，METTL14^Mu/Mu突變顯著降低了細(xì)胞增殖率；對(duì)所有檢測(cè)的克隆也觀察到類似的結(jié)果。研究通過(guò)在單獨(dú)含有SMs的METTL14轉(zhuǎn)基因的HEC108細(xì)胞中表達(dá)METTL14蛋白來(lái)檢測(cè)SMs的作用。這些分析表明，SMs不影響蛋白表達(dá)和細(xì)胞活性（圖S2A和S2B），這表明細(xì)胞增殖率的差異是由雜合和純合的R298P突變引起的，而不是SMs。為了在體內(nèi)評(píng)估這種差異，研究通過(guò)裸鼠皮下注射HEC108細(xì)胞建立異種移植瘤小鼠模型。研究觀察到METTL14^+/Mu細(xì)胞形成的腫瘤明顯大于METTL14^+/+細(xì)胞，而攜帶METTL14^Mu/Mu突變的細(xì)胞形成的腫瘤明顯較小（圖2B和S2C）。此外，當(dāng)腹腔注射到小鼠體內(nèi)時(shí)，METTL14^+/Mu細(xì)胞形成的腹膜腫瘤明顯更多。另一方面，METTL14^Mu/Mu細(xì)胞形成的腫瘤明顯較少（圖2C和S2D）。

       接下來(lái)，研究從ICGC中檢索了RNA-seq結(jié)果，并確定了癌癥患者中METTL14突變的合子性。研究在這些患者中沒(méi)有觀察到METTL14基因拷貝數(shù)的改變（圖S2E）。相反，在大多數(shù)情況下，METTL14 R298P和R298H突變的等位基因頻率均小于50%，這表明該突變?cè)诖蠖鄶?shù)癌癥樣本中為雜合突變（圖2D）。這些數(shù)據(jù)表明，在雜合狀態(tài)下，在癌癥樣本中發(fā)現(xiàn)的METTL14 R298P突變促進(jìn)致瘤性，而在純合狀態(tài)下，它對(duì)癌癥進(jìn)展具有抑制作用。

圖1：基因組編輯技術(shù)構(gòu)建METTL14 R298P突變子宮內(nèi)膜癌細(xì)胞系

圖2：雜合和純合METTL14 R298P突變對(duì)癌細(xì)胞增殖的相反作用

圖S2：METTL14 R298P突變?cè)隗w內(nèi)確實(shí)影響腫瘤進(jìn)展

2、METTL14 R298P突變減少了m6A修飾

       為了闡明METTL14^+/Mu和METTL14^Mu/Mu突變對(duì)癌細(xì)胞增殖產(chǎn)生相反影響的分子機(jī)制，研究比較了每種基因型中m6A修飾的數(shù)量。質(zhì)譜分析顯示，METTL14^+/Mu細(xì)胞中m6A修飾水平顯著降低，METTL14^Mu/Mu細(xì)胞中m6A修飾水平進(jìn)一步降低（圖3）。研究進(jìn)一步證實(shí)SMs不影響m6A修飾（圖S2F）。這些結(jié)果表明METTL14 R298P突變以突變蛋白劑量依賴的方式降低m6A修飾的總水平；然而，簡(jiǎn)單的酶活性喪失或靶標(biāo)識(shí)別并不一定是造成METTL14^+/Mu和METTL14^Mu/Mu細(xì)胞增殖率差異的明顯原因。

圖3：METTL14 R298P突變減少子宮內(nèi)膜癌細(xì)胞系中m6A修飾

3、突變體METTL14（R298P）識(shí)別異?；蜻M(jìn)行m6A修飾

       鑒于METTL14在靶標(biāo)識(shí)別中發(fā)揮作用，研究接下來(lái)考察了R298P突變是否影響m6A修飾模式。研究進(jìn)行了MeRIP-seq分析，通過(guò)使用抗m6A抗體進(jìn)行RNA免疫沉淀，將m6A修飾位點(diǎn)確定為測(cè)序reads的增加高度，即一個(gè)峰值。這些分析表明，大部分靶基因在METTL14^+/+、METTL14^+/Mu和METTL14^Mu/Mu細(xì)胞中共享（圖4A）。此外，三種基因型的MeRIP-seq峰均在終止密碼子周圍高度富集（圖4B）；這種分布模式與之前的MeRIP-seq研究相似。然而，盡管[U/A/C]GGAC[U/A]（=HGGACW）序列基序?qū)?yīng)于已知的m6A修飾位點(diǎn)的典型基序，但通常富集在METTL14^+/+和METTL14^+/Mu細(xì)胞來(lái)源的RNA的峰值中，研究在METTL14^Mu/Mu細(xì)胞來(lái)源的RNA的峰值中檢測(cè)到了一個(gè)不同的基序，即G[G/A]A[C/U]U（=GRAYU）。在該基序中，靶向A的30位為C和U的混合物，目前尚未見(jiàn)報(bào)道。然而，CentriMo分析顯示，該異?；蛭挥贛eRIP-seq峰的中心區(qū)域，與METTL14^+/+和METTL14^+/Mu樣品中發(fā)現(xiàn)的典型基序相似（圖S3A-S3C），這支持了研究分析的穩(wěn)健性。這些結(jié)果表明，R298P突變可能改變了METTL14的靶標(biāo)識(shí)別。

       研究進(jìn)一步分析了突變體METTL14識(shí)別基序，通過(guò)使用exomePeak和MetDiff分析，重點(diǎn)關(guān)注每個(gè)基因型之間差異甲基化的MeRIP-seq峰。exomePeak分析表明，與METTL14^Mu/Mu細(xì)胞相比，METTL14^+/+和METTL14^+/Mu細(xì)胞中甲基化程度更高的峰中顯著富集了一個(gè)典型的含5’-AC-3’的基序（圖S4A）。相比之下，METTL14^Mu/Mu細(xì)胞中異常的5’-AU-3’基序富集在296個(gè)峰中，與METTL14^+/+細(xì)胞相比，METTL14^Mu/Mu細(xì)胞中甲基化程度更高。在這296個(gè)峰中，有512個(gè)典型的m6A修飾位點(diǎn)在m6A-Atlas數(shù)據(jù)庫(kù)（http://180.208.58.19/m6A-Atlas/）中注冊(cè)。在這些位點(diǎn)中，無(wú)論METTL14基因型如何，抗m6A抗體RNA免疫共沉淀獲得的平均測(cè)序reads深度均顯著高于所有腺苷，這表明這些典型位點(diǎn)仍然可以被突變體METTL14（R298P）甲基化（圖4D）。相比之下，GGAUU和GAAUU基序中腺苷的免疫沉淀測(cè)序reads的平均深度在METTL14^+/Mu樣本中顯著富集，而在METTL14^+/+樣本中未觀察到。這種富集在METTL14^Mu/Mu樣本中進(jìn)一步增強(qiáng)（圖4D）。此外，MeTDiff分析檢測(cè)到的差異甲基化峰比exomePeak檢測(cè)到的多，在METTL14^Mu/Mu細(xì)胞中甲基化程度較低的峰中再次檢測(cè)到典型的5’-AC-3’基序，而在METTL14^Mu/Mu細(xì)胞中甲基化程度較高的峰中富集了異常的5’-AU-3’基序。這些數(shù)據(jù)表明，雖然METTL14（R298P）可以在一定程度上識(shí)別典型的模體，但該突變蛋白也可以甲基化異常的5’-AU-3’模體中的腺苷。

圖4：純合子METTL14 R298P突變誘導(dǎo)的靶標(biāo)異常識(shí)別

圖S3：MeRIP-Seq峰內(nèi)基序的分布

4、在METTL14^Mu/Mu細(xì)胞中，盡管m6A修飾減少，但c-Myc mRNA的表達(dá)減少

       為了鑒定受m6A修飾調(diào)控并參與細(xì)胞增殖分子通路的基因，研究利用基因集富集分析（GSEA）比較了不同METTL14基因型之間的基因表達(dá)情況。分析發(fā)現(xiàn)，與METTL14^+/+細(xì)胞相比，METTL14^+/Mu細(xì)胞中原癌基因c-Myc所靶向基因的表達(dá)水平顯著增加（圖5A）。c-Myc抑制劑以劑量依賴的方式降低HEC108細(xì)胞的活力，表明c-Myc有助于這些細(xì)胞的增殖（圖5B）。已知c-Myc mRNA的表達(dá)受m6A修飾調(diào)控，研究在MeRIP-seq分析中觀察到多個(gè)甲基化峰，其中包括典型位點(diǎn)（圖5C）。為了檢測(cè)HEC108細(xì)胞中c-Myc mRNA的穩(wěn)定性是否受m6A修飾的調(diào)控，研究檢測(cè)了加入Act.D抑制轉(zhuǎn)錄后c-Myc mRNA的降解率。該分析顯示，METTL14^+/Mu和METTL14^Mu/Mu細(xì)胞中m6A的降解率均顯著降低（圖5D），表明METTL14（R298P）突變導(dǎo)致m6A修飾的減少穩(wěn)定了c-Myc mRNA。

       然而，盡管METTL14^+/Mu細(xì)胞中c-Myc mRNA的表達(dá)顯著增加，但在METTL14^Mu/Mu細(xì)胞中c-Myc mRNA的表達(dá)降低（圖5E）。相應(yīng)地，GSEA結(jié)果顯示，與METTL14^+/+細(xì)胞相比，METTL14^Mu/Mu細(xì)胞中c-Myc靶基因的表達(dá)水平顯著降低（圖5F）。突變體METTL14（R298P）識(shí)別的異?；蛟赾-Myc mRNA中未發(fā)生甲基化（圖5C）?？偟膩?lái)說(shuō)，這些數(shù)據(jù)表明m6A修飾的減少穩(wěn)定了c-Myc mRNA，這可能有助于在METTL14^+/Mu細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞增殖增加，而在METTL14^Mu/Mu細(xì)胞中，c-Myc mRNA表達(dá)降低的某種機(jī)制很可能主導(dǎo)了m6A修飾對(duì)c-Myc mRNA的影響。

圖5：Myc mRNA被METTL14 R298P突變穩(wěn)定

5、異常的m6A修飾使c-MET mRNA不穩(wěn)定，導(dǎo)致c-Myc表達(dá)減少

       為了檢測(cè)異常識(shí)別基序的m6A修飾對(duì)基因表達(dá)的影響，研究比較了METTL14^+/+和METTL14^Mu/Mu細(xì)胞中含有差異甲基化峰的基因的表達(dá)水平。與METTL14^Mu/Mu細(xì)胞相比，METTL14^+/+細(xì)胞中甲基化程度更高的峰值基因顯著上調(diào)（圖6A）。然而，研究沒(méi)有觀察到與突變體METTL14（R298P）識(shí)別的異?；蚋患姆宓幕蛴蓄愃频牟町?。因此，研究進(jìn)一步將METTL14^Mu/Mu細(xì)胞中甲基化水平較高的基因（285個(gè)基因）分為兩個(gè)亞組，一個(gè)具有典型m6A位點(diǎn)（174個(gè)基因），另一個(gè)不具有典型m6A位點(diǎn)（111個(gè)基因），并分析了相應(yīng)基因的表達(dá)情況，觀察到具有典型m6A位點(diǎn)的基因表達(dá)水平顯著降低（圖6B）。這些數(shù)據(jù)表明，異常的m6A修飾可能會(huì)改變典型基序的甲基化效率，從而影響相應(yīng)mRNA的穩(wěn)定性。

       為了確定受異常m6A修飾影響并參與c-Myc上游信號(hào)通路的基因，研究重點(diǎn)關(guān)注c-MET，這是另一個(gè)受m6A修飾調(diào)控的原癌基因，已知在子宮內(nèi)膜癌中發(fā)揮關(guān)鍵作用。作者的GSEA證明，在METTL14^Mu/Mu細(xì)胞中c-MET靶標(biāo)的表達(dá)強(qiáng)烈下調(diào)（圖7A）。相應(yīng)地，METTL14^Mu/Mu中c-MET mRNA表達(dá)量顯著降低，導(dǎo)致c-MET蛋白表達(dá)量降低（圖7B、7C）。在METTL14^+/Mu細(xì)胞中未觀察到這種變化。有趣的是，exomePeak分析檢測(cè)到與METTL14^+/+細(xì)胞相比，METTL14^Mu/Mu在終止密碼子周圍甲基化程度更高的MeRIP-seq峰，其中包括4個(gè)異?；颍▓D7D）。

       研究測(cè)定了加入Act.D抑制轉(zhuǎn)錄后c-MET mRNA的降解率。該分析證明METTL14^Mu/Mu細(xì)胞中的降解率顯著增加（圖7E）。此外，c-MET抑制劑foretinib的加入降低了METTL14^+/+和METTL14^+/Mu細(xì)胞中c-Myc的表達(dá)和細(xì)胞活力（圖7F和圖7G）。綜上所述，在METTL14^Mu/Mu細(xì)胞中，靠近異常m6A修飾位點(diǎn)的典型基序甲基化效率的增加很可能促進(jìn)了c-MET mRNA的去穩(wěn)定化，從而導(dǎo)致c-Myc的表達(dá)降低，細(xì)胞增殖受到抑制（圖S6）。

圖6：突變體METTL14（R298P）介導(dǎo)的異常m6A修飾在規(guī)范m6A位點(diǎn)存在時(shí)降低基因表達(dá)

圖7：突變METTL14介導(dǎo)的異常m6A修飾破壞c-MET mRNA的穩(wěn)定性

圖S6：細(xì)胞增殖受m6A修飾c-MET和cMyc mRNA的調(diào)控

實(shí)驗(yàn)方法

表達(dá)Cas9和gRNA質(zhì)粒的構(gòu)建，METTL14 R298P突變敲入細(xì)胞，METTL14穩(wěn)定表達(dá)細(xì)胞系的建立，Western blot，定量PCR，質(zhì)譜法測(cè)定m6A含量，抗m6A抗體對(duì)m6A進(jìn)行定量，體外和體內(nèi)細(xì)胞增殖，細(xì)胞活力，拷貝數(shù)量變異檢測(cè)，異種移植瘤小鼠模型，MeRIP-seq，GSEA，公共數(shù)據(jù)庫(kù)中RNA-Seq分析，聯(lián)合分析MeRIP-seq和RNA-Seq

參考文獻(xiàn)

Miyake K, Costa Cruz PH, Nagatomo I, Kato Y, Motooka D, Satoh S, Adachi Y, Takeda Y, Kawahara Y, Kumanogoh A. A cancer-associated METTL14 mutation induces aberrant m6A modification, affecting tumor growth. Cell Rep. 2023 Jul 25;42(7):112688. doi: 10.1016/j.celrep.2023.112688. Epub 2023 Jun 23. PMID: 37355987.