继前面介绍中国医学科学院肿瘤医院赫捷院士团队2021年6月21日在Nature Communications（IF=14.919）上发表“METTL3 promotes tumour developmentby decreasing APC expression mediated by APC mRNA N6-methyladenosine-dependent YTHDF binding”的食管鳞癌 m6A机制文章后，本期我们继续为大家介绍赫捷院士团队 2021 年 5 月 8 日在 Nature 旗下期刊 Cell Death & Disease（IF=8.47）上发表的题为 “WNT/β-catenin-suppressed FTO expression increases m6A of c-Myc mRNA to promote tumor cell glycolysis and tumorigenesis” 的肺腺癌 m6A机制文章。该研究揭示了一种 Wnt/β-catenin 介导的 FTO 下调的关键机制，并凸显了 MYC mRNA 的 m6A 修饰在调节肿瘤细胞糖酵解和生长中的作用。云序生物有幸参与了两次研究当中的m6A MeRIP-seq和RNA-seq的测序服务以及生信分析。
发表期刊：Cell Death & Disease
发表日期：2021年5月8日
影响因子：8.47
研究方法：m6A MeRIP-seq、RNA-seq、MeRIP-qPCR、RIP、Co-IP 实验等
文章链接：WNT/β-catenin-suppressed FTO expression increases m6A of c-Myc mRNA to promote tumor cell glycolysis and tumorigenesis
研究内容
一、FTO表达下调可促进肺腺癌（Lung Adenocarcinoma）的生长和转移，FTO 下调越严重，病患的生存率越低
作者首先从 TCGA 的公开数据中发现，肺腺癌组织中的 FTO 表达水平低于邻近的正常组织，然后对 FTO 的 mRNA 进行 qPCR 实验，验证了这种表达差异的存在。免疫组化染色实验也证实 FTO 的的表达水平在肺腺癌组织中要低于邻近的正常组织。Kaplan-Meier 分析显示，低 FTO 表达水平的病患拥有较低的总生存率。
在人类肺腺癌细胞系中对 FTO 的 mRNA 的敲降实验发现，FTO 表达的降低可显著增强细胞的增殖以及非锚定依赖性生长（Anchorage-independed growth）的能力，细胞周期的速度也更快，细胞迁移和侵入性也更强。在体内实验方面，若将 FTO 敲降的细胞系注入无胸腺裸鼠的尾静脉内，相比于注入未敲降细胞的对照组，FTO 敲降的实验组中的肿瘤细胞有明显地向肺部转移。
上述发现都指向一个结论：FTO 在肺腺癌细胞中的下调促进了肿瘤的生长和转移。
二、Wnt 信号通路提高了 FTO 启动子区的组蛋白 H3K27me3 甲基化，从而抑制 FTO 的表达
肺腺癌细胞中的 FTO 的表达是因为什么原因而下调的呢？为了回答这个问题，作者用 PROMO 软件分析 FTO 基因的启动子序列，在其中找到了 3 个有可能是 TBE 元件（LEF/TCF-binding element）的区域。为了验证生信预测的真实性，作者又进行了了一系列分子生物学实验。首先，ChIP 实验证实了 TCF4 与 FTO 启动子的结合。另外，荧光素酶报告基因的结果显示，β-catenin 也可通过结合前述的 3 个 TBE 元件来抑制 FTO 启动子。因此，β-catenin/LEF/TCF 复合体被证明可以抑制 FTO 启动子的活性。人类肺腺癌细胞系经过 Wnt 处理后，FTO 的 mRNA 和蛋白表达水平均有所降低，并且这种现象可通过敲降 β-catenin 来逆转。综合前面的几个发现可以证明：Wnt 在信号通路的上游，通过诱导 β-catenin，使得β-catenin/LEF/TCF 复合体结合到 FTO 启动子上，最终抑制了 FTO 的表达。
那么，Wnt 信号通路到底是怎么抑制 FTO 启动子的呢？作者通过ChIP 实验发现，FTO 基因启动子区域的 TBE 元件区域附近的组蛋白存在 H3K27me3 的甲基化修饰现象。学界在先前的研究中已经知晓，EZH2 是一种负责组蛋白 H3K27me3 甲基化修饰的酶。通过Co-IP 实验发现，Wnt 刺激可以促进 EZH2 与 β-catenin 的结合；通过 ChIP 实验发现，Wnt 刺激也可以促进 EZH2 与 TBE 元件的结合。并且，敲降 EZH2 可阻断 Wnt 对 FTO 表达的抑制作用。综合前面的几个发现可以证明：Wnt 信号诱导了 EZH2 与 β-catenin 的结合，导致了 FTO 启动子附近的组蛋白发生 H3K27me3 甲基化修饰，从而抑制 FTO 表达。
在肺腺癌细胞当中，哪些 RNA 会受 FTO 表达下调的调控，进而引发肺腺癌呢？为了探明 FTO 下游的分子致病原因，作者进行了 m6A 甲基化测序，发现 FTO 敲降的肺腺癌细胞当中有大量基因的 mRNA m6A 甲基化上调。FTO 是一种典型的 RNA m6A 甲基化的去修饰酶（也就是 m6A 的 “Eraser”），可以消去 m6A 甲基化，还原出普通的 A 碱基。通过云序生物m6A MeRIP-seq发现，FTO敲降细胞中有 556 个基因的 mRNA的 m6A 修饰水平升高；生信分析也发现，FTO 敲降细胞的代谢通路当中有许多基因的 mRNA 的 m6A 修饰水平升高，其中就包括一个重要的转录因子 MYC。m6A MeRIP-seq的结果可以验证，当敲降了 FTO 之后，MYC 基因的 mRNA 的终止密码子附近的 m6A 修饰水平升高。通过云序生物m6A MeRIP-qPCR 实验 结果也证实，FTO 的敲降可以提升 MYC mRNA 的 m6A 修饰水平。针对 FTO 蛋白的 RIP 实验更是直接证明，FTO 结合在 MYC 的 mRNA 上面。综合前面的几个发现可以证明，FTO 可结合 MYC 的 mRNA，从而降低 MYC mRNA 的 m6A 修饰水平。
那么，c-Myc 蛋白的表达水平又是如何受到调控的呢？作者设计了荧光素酶报告基因，将荧光素酶报告基因插入 MYC 的 mRNA 中，并将实验组的 mRNA 3’ 端的 m6A 突变为其它碱基，对照组的 MYC mRNA 则不做任何碱基修饰。结果发现，FTO 敲降后，对照组的 MYC mRNA 表达了大量荧光素酶，但经过碱基突变而不再具有 m6A 的实验组则没有荧光素酶信号，说明 MYC 的 mRNA 3’ 端的 m6A 对于蛋白的成功翻译不可或缺。相反地，如果过表达 FTO，那么肺腺癌细胞系的 c-Myc 蛋白的表达量会下降。但是，无论是 FTO 敲降还是过表达，MYC 的 mRNA 水平都没有改变。综上可知，c-Myc 蛋白表达量的变化，与 MYC mRNA 的 m6A 修饰水平正相关，而与 MYC mRNA 的表达水平无关。
四、YTHDF1 通过结合 m6A 修饰的 MYC mRNA 来促进其翻译
既然 FTO 敲降所导致的 c-Myc 蛋白的表达水平上升并不是由 MYC mRNA 表达水平的变化造成的，那么造成这一现象的原因会是什么呢？会不会是 mRNA 翻译调控呢？YTHDF1 是一种典型的 RNA m6A 甲基化识别蛋白（也就是 m6A 的 “Reader”）。用 anti-YTHDF1 抗体进行RIP实验，发现 FTO 的敲降将会增强 YTHDF1 与 MYC mRNA 的结合。虽然敲降 YTHDF1 并没有影响 MYC mRNA 的表达水平，但却能降低 c-Myc 蛋白的表达水平。在上一段中发现的 FTO 的敲降所导致的 c-Myc 蛋白表达水平的上升，还会被 YTHDF1 的敲降所逆转，说明 YTHDF1 发挥功能的位置在 FTO 的下游和 c-Myc 的上游 。综上可知，FTO 表达下调所导致的 MYC mRNA 高水平 m6A 修饰，可被 YTHDF1 识别并结合，从而促进 MYC mRNA 翻译为 c-Myc 蛋白。
五、FTO 表达下调所诱导的 c-Myc 表达，可促进肺腺癌细胞的糖酵解、生长、迁移、侵入和肿瘤发生
c-Myc 蛋白在癌症的代谢当中扮演重要的角色，因此作者就 c-Myc 的高表达在肺腺癌当中所发挥的作用进行了进一步的研究。首先，在小鼠肺腺癌细胞系中，FTO 敲降的细胞表现出己糖激酶-2（HK2） mRNA 和蛋白高表达的现象，说明 FTO 敲降细胞的糖酵解活跃。并且，FTO 敲降诱导的 HK-2 高表达现象，可被 c-Myc 敲降所逆转，说明 c-Myc 发挥功能的位置在 FTO 的下游和己糖激酶的上游。类似地，FTO 敲降细胞的葡萄糖摄取、乳糖生成、细胞增殖、细胞迁移、细胞侵入能力等均有升高，且这些升高现象均可被 c-Myc 敲降所逆转。
作者进一步进行了体内实验：在无胸腺裸鼠体内，注入 FTO 敲降的肺腺癌细胞系可以促进肿瘤生长，且该生长促进的现象可被 c-Myc 的敲降所逆转。免疫组化染色实验发现，在注入了 FTO 敲降细胞的肿瘤组织当中，c-Myc、HK-2 以及 Ki67（一种细胞增殖的标志物）均有高表达，且该现象可被 c-Myc 敲降所逆转。此外，注入了 FTO 敲降细胞的裸鼠发生了肿瘤转移，且这种转移可被 c-Myc 敲降所抑制。综合前面的几个发现可以证明：FTO 表达下调所诱导的 c-Myc 表达，可在小鼠体内促进肺腺癌的生长和转移。
要点总结
在本研究当中，作者发现：
- 肺腺癌组织当中，m6A 的去修饰化酶 FTO 的表达水平存在下调。
- Wnt 信号诱导的 EZH2/β-catenin/LEF/TCF 复合体结合于 FTO 基因启动子区域的 TBE 元件区域，通过组蛋白 H3K27me 的甲基化抑制了 FTO 基因的转录。
- 通过m6A MeRIP-seq发现FTO 的表达下调使得包含 MYC 在内的多种代谢相关基因的 mRNA 的 m6A 修饰水平升高。
- MYC mRNA 的 m6A 修饰可以募集 m6A 识别蛋白 YTHDF1 的结合，从而促进 c-Myc 蛋白的翻译表达，进而提升肿瘤细胞的糖酵解水平和细胞增殖能力，促进肿瘤发生。
云序点评
本篇论文体现了从酶出发研究 RNA 的 m6A 修饰的一种经典研究思路。
首先，作者发现了肺腺癌当中 m6A 去修饰化酶 FTO 的异常低表达，就此选定 FTO 这个酶为研究对象。紧接着，作者敲降 FTO 以控制变量，以研究 FTO 这个酶在肺腺癌中所发挥的功能。下一步，作者从上游和下游两个方向筛选出与 FTO 基因或 FTO蛋白发生互作的分子：一方面，通过一系列Co-IP、ChIP 和荧光素酶报告实验，作者证明 FTO 基因是 Wnt 信号通路的靶基因，Wnt 诱导的 EZH2/β-catenin/LEF/TCF 复合体结合于 FTO 基因启动子区域的 TBE 元件区域，通过组蛋白 H3K27me 的甲基化抑制了 FTO 基因的转录；另一方面，通过m6A MeRIP-seq 和生信预测，作者筛选出 MYC 作为 FTO 蛋白的靶基因，并通过一系列的MeRIP-qPCR、RIP 和荧光素酶报告实验，证明 c-Myc 蛋白的表达量是跟随 FTO 蛋白表达量变化的因变量。
在研究了 FTO 对肺腺癌的作用机制的基础上，作者还进一步探索了 m6A 识别蛋白 YTHDF1 在肺腺癌中扮演的角色。首先，通过 RIP实验，作者证明了 YTHDF1 与 MYC mRNA 的结合。随后，通过结合 FTO 敲降和 YTHDF1 敲降实验的结果，证明 FTO 表达下调所导致的 MYC mRNA 高水平 m6A 修饰，可被 YTHDF1 识别并结合，从而促进 MYC mRNA 翻译为 c-Myc 蛋白。
在本研究当中，肺腺癌致病机理当中的 “Eraser” 和 “Reader” 都得到了阐释。这些新发现对于肺腺癌的治疗提供了一种全新的潜在思路。
云序生物 m6A 修饰研究五大模块
01 m6A RNA修饰测序
m6A RNA修饰测序（m6A-meRIP-seq）
对m6A RNA甲基化，目前最流行的检测手段为m6A-Seq技术，适用于m6A RNA甲基化谱研究，快速筛选m6A RNA甲基化靶基因。云序可提供mRNA和多种非编码RNA的m6A测序：
- 全转录组测序（涵盖mRNA，LncRNA，circRNA）
- LncRNA测序（涵盖LncRNA和mRNA）
- Pri-miRNA测序（涵盖Pri-miRNA和mRNA）
- mRNA测序
- miRNA测序
LC-MS/MS检测整体RNA修饰水平
精准高效，可以实现一次检测，9类修饰水平检测，一步到位。
比色法检测整体RNA修饰水平
快速检测m6A整体甲基化水平
03 m6A RNA修饰上游酶的筛选
m6A RNA修饰相关酶PCR芯片
寻找上游直接调控m6A RNA甲基化的甲基转移酶。
04 m6A RNA修饰靶基因验证
meRIP-qPCR
云序提供各类不同修饰的meRIP-qPCR服务，可针对mRNA，lncRNA，环状RNA等不同类型的RNA分子进行检测，低通量验证RNA修饰靶基因表达水平。
05机制互作研究
RIP-seq/qPCR
筛选或验证RNA修饰直接靶点，研究RNA修饰靶基因的调控机制。
RNA pull down -MS/WB
筛选或验证目标RNA互作基因或蛋白，研究相应的分子调控机制。
双荧光素酶实验
验证两基因互作，研究相应的分子调控机制。
ChIP-seq
筛选或验证目标蛋白与DNA互作，研究相应的分子调控机制。
云序生物服务优势
优势一：发表10分以上文章最多的m6A RNA甲基化测序服务平台。云序已累计支持客户发表53+篇高水平文章，合计影响因子460分+，是国内支持发文最多、累计影响因子最高的公司。
优势二：至今完成4000+例 m6A测序样本，全面覆盖医口、农口等各类样本。
优势三：全面检测mRNA和各类非编码RNA（circRNA，lncRNA，Pri-miRNA等）。
优势四：独家提供m6A一站式服务：m6A整体水平检测、m6A测序、MeRIP-qPCR验证、RIP和RNA pull-down等。
优势五：率先研发超微量MeRIP测序技术，RNA量低至500ng起。
优势六：国内最全的RNA修饰测序平台，提供m6A、m5C、m1A、m7G、m3C、m6Am、O8G、ac4C乙酰化和2'-O-甲基化测序。
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