急性髓系白血?。ˋML）是成人中最常見的白血病類型，約占所有急性白血病病例的70%。盡管治療策略有所改進(jìn)，但AML通常進(jìn)展迅速，大多數(shù)患者最終會對治療產(chǎn)生耐藥或復(fù)發(fā)。因此，需要更好地了解白血病發(fā)生的分子機(jī)制，以便確定新的治療靶點(diǎn)和開發(fā)改進(jìn)的治療藥物。

(相關(guān)資料圖)

N6-甲基腺苷（m6A）是哺乳動物mRNA上豐度最高的修飾，廣泛參與了RNA的剪接、轉(zhuǎn)運(yùn)、降解和翻譯等過程的調(diào)控。一些證據(jù)表明，m6A修飾機(jī)制的失調(diào)與多種類型的癌癥有關(guān)，包括AML。在人體內(nèi)，m6A修飾主要由甲基轉(zhuǎn)移酶復(fù)合物催化完成，其中METTL3和METTL14為核心成員。METTL16是近期發(fā)現(xiàn)的一種m6A甲基轉(zhuǎn)移酶，但其在AML和正常造血中的作用還有待研究。

近日，美國希望之城貝克曼研究所鄧曉嵐、陳建軍和蘇瑞團(tuán)隊與中國醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院魏敏杰團(tuán)隊合作，發(fā)現(xiàn)METTL16對AML細(xì)胞的生存至關(guān)重要，其重要程度高于METTL3和METTL14。它通過重塑支鏈氨基酸（BCAA）的代謝來驅(qū)動白血病發(fā)生和白血病干細(xì)胞自我更新。這項研究成果于2023年1月5日發(fā)表在《Cell Stem Cell》雜志上。

研究材料與方法

在這項研究中，研究人員使用了原發(fā)性AML患者和健康對照的樣本，分離出白血病母細(xì)胞和單核細(xì)胞開展分析。使用Mettl16fl/fl小鼠（賽業(yè)生物提供構(gòu)建）與Mx1-Cre小鼠雜交后產(chǎn)生的Mettl16條件性基因敲除（cKO）小鼠探究Mettl16與AML的關(guān)系。研究者采用了全基因組范圍的CRISPR篩選，并使用了基于慢病毒的shRNA系統(tǒng)。隨后通過m6A-seq和RNA-seq來尋找METTL16的靶點(diǎn)，并通過三重四級桿質(zhì)譜分析來檢測m6A水平。

技術(shù)路線

01?對多個癌細(xì)胞系進(jìn)行CRISPR基因敲除篩選，發(fā)現(xiàn)METTL16的重要性

02?敲除細(xì)胞和小鼠中的METTL16，以確定其對AML發(fā)生和進(jìn)展的影響

03?分析METTL16對正常造血過程的影響

04?確定METTL16的作用靶點(diǎn)，以分析其在AML中的作用機(jī)制

研究結(jié)果

1?METTL16是AML進(jìn)展和維持所必需的

目前，除了METTL3和METTL14外，大多數(shù)METTL蛋白在正常生理過程和發(fā)病機(jī)制中的作用仍不清楚。研究人員在分析800多個癌細(xì)胞系的全基因組CRISPR-Cas9基因敲除篩選數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)白血病對METTL16的依賴性比其他癌癥類型更強(qiáng)，同時AML細(xì)胞系對METTL16的依賴性比非AML細(xì)胞系更強(qiáng)。讓研究者驚訝的是，在所有METTL成員中，對AML細(xì)胞的生存和增殖而言最重要的竟然是METTL16。此外，METTL16在人類AML樣本中異常過表達(dá)，無論是mRNA水平還是蛋白水平。

為了闡明METTL16在白血病發(fā)生中的作用，研究人員委托賽業(yè)生物構(gòu)建了Mettl16fl/fl小鼠并與Mx1-Cre小鼠雜交，產(chǎn)生了Mettl16條件性基因敲除（cKO）小鼠。研究者發(fā)現(xiàn)，Mettl16的雜合子敲除顯著延遲了白血病的發(fā)生和進(jìn)展，延長了生存期，而Mettl16的純合子敲除則表現(xiàn)出更明顯的抗白血病活性，完全抑制了白血病發(fā)生（圖1）。人源性腫瘤異種移植（PDX）模型上的分析結(jié)果進(jìn)一步證實了這一點(diǎn)，表明METTL16在AML的發(fā)生、進(jìn)展和維持中發(fā)揮關(guān)鍵的致癌作用。

2?METTL16對LSC/LIC的自我更新至關(guān)重要

同時，研究人員還發(fā)現(xiàn)，原發(fā)性AML患者樣本中的METTL16蛋白水平顯著高于健康對照，特別是在白血病干細(xì)胞（LSC）和白血病起始細(xì)胞（LIC）中，這意味著METTL16可能在LSC/LIC的自我更新中起作用。利用shRNA敲低Mettl16后，研究者觀察到人類原發(fā)性AML細(xì)胞的集落形成能力受到抑制，而小鼠上開展的分析也獲得了類似的結(jié)果，表明METTL16對于維持LSC/LIC的自我更新至關(guān)重要。

為了確定METTL16是否是AML治療時的潛在安全靶點(diǎn)，研究人員接下來分析了它在正常造血過程中的作用。研究者使用Mettl16 cKO小鼠模型，用poly（I:C）誘導(dǎo)了血液學(xué)特異性Mettl16敲除，發(fā)現(xiàn)純合子敲除導(dǎo)致外周血中的白細(xì)胞、淋巴瘤細(xì)胞和血小板適度降低，但對其他造血細(xì)胞影響不大。同時，基因敲除對人類和小鼠造血干/祖細(xì)胞（HSPC）的增殖和集落形成能力影響較小。研究者認(rèn)為，與正常HSPC相比，LSC/LIC更依賴于METTL16的表達(dá)和功能。

3 METTL16對AML中的BCAA代謝進(jìn)行重編程

那么，METTL16在AML中如何發(fā)揮致癌作用？研究人員首先通過突變體分析確定了METTL16的致癌作用完全取決于它在AML中的酶活。之后研究者又通過m6A-seq和RNA-seq來尋找METTL16的真正靶點(diǎn)。RNA-seq數(shù)據(jù)顯示，METTL16敲除明顯抑制了BCAT1、BCAT2、LARS1和IARS1的表達(dá)，RIP-qPCR數(shù)據(jù)也表明METTL16直接與AML細(xì)胞中的BCAT1、BCAT2、LARS1和IARS1轉(zhuǎn)錄本結(jié)合。

最近的研究表明，支鏈氨基酸（BCAA，包括亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸）的代謝與多種癌癥的侵襲性相關(guān)，包括白血病，而以上四個基因都在BCAA生物合成中發(fā)揮作用，其中BCAT1和BCAT2屬于支鏈氨基轉(zhuǎn)移酶，催化了氨基從支鏈氨基酸到α-酮戊二酸的轉(zhuǎn)移；LARS1是亮氨酰tRNA合成酶；IARS1是異亮氨酰tRNA合成酶。由此看來，METTL16在AML中的直接靶點(diǎn)是BCAA生物合成通路中的這四個關(guān)鍵基因。

考慮到BCAT1和BCAT2介導(dǎo)的BCAA分解代謝是大多數(shù)癌細(xì)胞中的主要反應(yīng)，研究者將后續(xù)分析的重點(diǎn)放在這兩個基因上。研究者發(fā)現(xiàn)，METTL16能夠在體外直接使BCAT1和BCAT2 mRNA甲基化，而METTL16敲除顯著降低了BCAT1和BCAT2轉(zhuǎn)錄本的穩(wěn)定性并下調(diào)了它們的表達(dá)。同時，YTHDC1直接與BCAT1和BCAT2 mRNA相互作用并提高其穩(wěn)定性（圖2）。這些結(jié)果表明，METTL16在BCAT1和BCAT2轉(zhuǎn)錄本上形成m6A修飾，而YTHDC1識別這些m6A位點(diǎn)并提高這兩個mRNA靶點(diǎn)的穩(wěn)定性。

此外，Mettl16基因被敲除后，AML細(xì)胞的耗氧率（OCR）顯著降低，而屬于三羧酸循環(huán)的代謝物水平也顯著降低，表明METTL16對BCAA的代謝進(jìn)行了重編程。BCAT1和BCAT2的強(qiáng)制表達(dá)部分恢復(fù)了METTL16 KO誘導(dǎo)的AML細(xì)胞增殖缺陷和凋亡，且完全逆轉(zhuǎn)了METTL16 KO誘導(dǎo)的氧化能力抑制，表明METTL16表達(dá)對代謝的影響主要是由于BCAT1和BCAT2的失調(diào)。這些結(jié)果顯示，BCAT1和BCAT2是METTL16功能上的重要靶點(diǎn)，參與了METTL16在AML中的致癌作用。

研究結(jié)論

總的來說，這項研究描述了METTL16/m6A/BCAT1-2/BCAA軸在白血病發(fā)生中的作用，并強(qiáng)調(diào)了METTL16介導(dǎo)的m6A表觀轉(zhuǎn)錄組和BCAA代謝重編程在白血病發(fā)生和LSC/LIC維持中的重要作用。作者認(rèn)為，開發(fā)METTL16的小分子抑制劑有重要的轉(zhuǎn)化/臨床意義，并在AML治療方面具有巨大潛力。

原文檢索：

[1]Han L, Dong L, Leung K, et al. METTL16 drives leukemogenesis and leukemia stem cell self-renewal by reprogramming BCAA metabolism. Cell Stem Cell. 2023 Jan 5;30(1):52-68.e13. https://doi.org/10.1016/j.stem.2022.12.006

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