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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具有重要的作用，其中N6-腺苷酸甲基化（m6A）是最常见的一种[1]。但核糖体RNA（rRNA）的m6A修饰在癌症中发挥的功能以及其分子机制并没有被完全阐明。
近日，由中山大学附属第一医院林水宾、匡铭和彭穗领衔的研究团队，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修饰的丢失，能够抑制80S核糖体的组装聚集，进而降低脂肪酸代谢相关基因的mRNAs翻译，其中包括乙酰辅酶A合成酶家族成员（ACSL）。另一方面，ACSL4亦能够通过调控脂肪酸的代谢，进而影响METTL5的功能。体内靶向ACSL4与METTL5可以抑制肝癌的发生和发展。
该项研究阐明了rRNA的表观遗传修饰与mRNA的翻译以及脂肪酸代谢之间的关系，为肝癌靶向治疗策略的发展提供了分子基础。
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肿瘤细胞具有细胞核增大、核仁结构异常的特征，这些不同于寻常细胞的特征使肿瘤细胞能够快速无限地繁殖。
其中，核仁在rRNA的转录与核糖体的生成中发挥重要的作用。伴随着核仁结构的异常，肿瘤细胞内同时会发生核糖体生成与mRNA转录失调，从而快速合成癌细胞增殖所需的蛋白。然而，引起肿瘤细胞的核糖体生成异常的原因尚未查明[3-4]。
这件事要想整明白还有点儿难，毕竟核糖体的生成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住rRNA，进而构成基因转录翻译的主要场所。我们目前掌握的线索是，核糖体生成的过度激活会造成mRNA的异常转录和蛋白质翻译的改变，从而使细胞代谢过程重塑，并逐渐转化为癌细胞[5]。
避难就易，或许我们可以从核糖体的重要组成部分之一——rRNA着手调查。
rRNA是否会通过影响核糖体的生成而引起癌症的发生呢？近期的一些研究表明，不同RNA的转录后修饰与基因的表达及癌症的发生密切相关。只不过，虽然rRNA占据细胞总RNA的80%，但多数研究集中在mRNA修饰与肿瘤的关系上，rRNA的修饰在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，并发生在特异的位点上，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位点上的甲基化（m6A1832， m6A4220）[6-7]。那么，rRNA的m6A修饰在细胞乃至生命体中到底扮演什么角色呢？
研究人员首先对TCGA数据库中20种癌症类型进行分析，发现甲基转移酶METTL5和与它的相互作用蛋白TRMT112在80%的癌症类型中高表达，其中包括肝细胞癌（HCC）。此外，METTL5-TRMT112的表达与HCC的恶性程度和不良预后密切相关。肝癌细胞系和HCC肿瘤患者的样本检测与数据库分析结果一致。
△TCGA数据库分析显示METTL5-TRMT112在多种癌症中高表达，且与肝癌的恶性程度和不良预后密切相关
进一步的实验表明，在肝癌细胞系中过表达METTL5能够显著促进肿瘤细胞的生长增殖及迁移侵袭能力。同时，动物水平上的小鼠体内成瘤实验与细胞体外克隆形成实验结果一致。相应的，敲低METTL5的表达，肝癌细胞生长增殖与迁移侵袭能力受到抑制，凋亡细胞比例增高。另外，功能获得与功能缺失实验，均表明了METTL5的促癌作用。
△细胞水平与动物水平上，过表达METTL5促进肝癌的生长增殖与迁移侵袭能力。
△敲低METTL5促进细胞凋亡，抑制肝癌的生长增殖与迁移侵袭。
为了深入探究作为甲基转移酶的METTL5影响肿瘤的机制，研究人员利用RNA免疫共沉淀（RIP）的技术检测到，METTL5敲低后18S rRNA的m6A修饰水平明显降低。应用单碱基延长和连接的qPCR扩增（SELECT）技术，证实METTL5确实能够动态调控18S rRNA的A1832位点上的m6A修饰。
值得注意的是，METTL5敲低只影响18S rRNA的修饰，并不影响其表达。
考虑到，18S rRNA是核糖体的主要组成部分，研究人员推测18S rRNA的m6A修饰可能会与核糖体的生成及功能有关。
的确，敲低METTL5的细胞中，80S核糖体的峰值与蛋白质合成速率降低。研究人员进一步通过RIP-qPCR和凝胶阻滞实验（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，从而确保80S 核糖体的募集和mRNA的翻译。
△敲低METTL5通过降低18S rRNA与RPL24的相互作用来抑制80S核糖体的生成。
接下来，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、胆固醇均减少。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。
△敲低METTL5减少脂肪酸的生成
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。
△METTL5倾向于调控具有5’ TOP基序的mRNA
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。
△肝脏特异性敲除METTL5的小鼠中，敲低ACSL4能进一步抑制肝癌的发展。
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.
责任编辑丨张艾迪