中國科學院生物物理研究所李棟課題組揭示MALAT1-m6A修飾的生物學功能

細胞內幾乎所有類型的RNA分子中均廣泛存在m6A修飾。許多研究已發現lncRNAMALAT1的高表達與非小細胞肺癌、食管癌等多類腫瘤的侵襲轉移風險高度正相關。

2021年2月20日,中國科學院生物物理研究所李棟課題組在Developmental Cell雜誌以長文(Article)形式發表題為“N6-methyladenosine modification of MALAT1 promotes metastasis via reshaping nuclear speckles”的論文。該研究綜合運用長時程超分辯率活細胞成像、CUT&Tag測序和定量蛋白質組學等科技方法,揭示了:lncRNA MALAT1存在m6A修飾富集區,且MALAT1-m6A對維持核斑(Nuclear Speckles)組分動態平衡,進而調控癌細胞的增殖和侵襲轉移能力起關鍵作用。

N6-甲基腺苷(m6A)修飾是一種普遍存在且有重要生物學功能的RNA化學修飾。細胞內幾乎所有類型的RNA分子中均廣泛存在m6A修飾。現時,大多數研究均通過調控m6A甲基轉移酶(Writer),去甲基化酶(Eraser)和m6A閱讀蛋白(Reader)的活性來研究m6A修飾的生物學功能。然而,需要注意的是上述研究策略改變了整個轉錄組的m6A狀態,最終錶型取決於來自不同類型轉錄本m6A狀態變化的綜合效應,導致難以確定究竟哪種或者哪類轉錄本的m6A修飾對最終錶型起主要作用,甚至導致相互衝突的結論。囙此,尤為需要開展具有轉錄本特异性的m6A功能研究。另一方面,MALAT1基因在脊椎動物中高度保守,其轉錄本為一種長度約為8 kb的長鏈非編碼RNA(long noncoding RNA,lncRNA),在核斑上高度富集。許多研究已發現lncRNA MALAT1的高表達與非小細胞肺癌、食管癌等多類腫瘤的侵襲轉移風險高度正相關。但是,MALAT1如何促進侵襲轉移發生的分子機制一直尚未明確。

作者對食管癌細胞系KYSE-30進行meRIP-seq發現MALAT1富含30個高度可信的m6A修飾位點,其中的28個集中分佈在長度約為1.5kb且高度保守的區域內。作者進一步發現雖然MALAT1基因表達量在缺失m6A修飾後幾乎沒有變化,但數百個癌症相關基因的表達量在MALAT1-Δm6A細胞中卻發生了顯著變化,並展現出增殖和侵襲轉移能力顯著抑制的錶型。為闡明MALAT1-m6A如何調控侵襲轉移,作者利用定量蛋白質譜發現MALAT1-Δm6A能够導致幾十種核斑定位蛋白在核斑上富集程度降低;同時利用自主開發的3D-SIM超分辨顯微鏡和光片顯微鏡系統對比了野生型和MALAT1-Δm6A細胞中RBM15、YTHDC1、SF3A1、PABPN1與核斑的共定位、動態互作等性質的差別。成像結果表明:與野生型細胞相比,在MALAT1-Δm6A細胞中,RBM15斑點與核斑的互作(contact)顯著减少,同時YTHDC1、SF3A1和PABPN1在核斑中的富集顯著降低;而且這些蛋白在核斑富集水准的降低可以被野生型MALAT1恢復,但無法被m6A突變型MALAT1恢復。

圖1 .野生型和MALAT1-Δm6A細胞中RBM15斑點與核斑互作,以及YHDC1在核斑中富集程度的對比。

核斑組分的變化又如何導致癌症相關基因表達的改變?作者利用CUT&Tag測序發現核斑與相關基因的結合位點主要位於這些基因的轉錄起始位點,而MALAT1-Δm6A顯著减弱了核斑與轉錄起始位點的結合,這其中包括420個在MALAT1-Δm6A細胞中轉錄下調的基因。作者選取JUN和TWIST2兩個代表性原癌基因,用3D-SIM超分辨成像統計了免疫螢光標記的核斑與DNA-FISH標記的基因座位的相對距離,結果表明MALAT1-Δm6A使上述兩個基因與核斑的接觸頻率顯著下降,這印證了CUT&Tag測序結果。作者進一步在m6A缺陷的MALAT1基因座位敲入MS2適配子序列,以此實現m6A reader蛋白YTHDC1的特异性回補(MALAT1-Δm6A+MCP-YTHDC1)。結果顯示,通過在lncRNA MALAT1-Δm6A上特异性結合YTHDC1可重新富集大多數含量下調的核斑蛋白,進而恢復核斑與癌症相關基因的結合,促進其表達,最終可在小鼠模型中顯著恢復MALAT1-Δm6A細胞的增殖和侵襲轉移能力。

圖2.MALAT1通過其m6A修飾調控基因表達示意圖。

綜上,本研究展示了超分辨顯微成像提供的時空動態資訊與分子生化、質譜、測序等實驗結果互為補充和印證,從多角度揭示了lncRNA MALAT1的m6A修飾在癌細胞增殖和侵襲轉移能力中關鍵作用。

中科院生物物理研究所李棟課題組助理研究員王新禹博士(兼共通訊作者)、博士研究生劉沖、張思微為該論文的共同第一作者;中科院生物物理研究所蔔鵬程課題組對動物實驗給予了大力幫助;中國科學院生物物理研究所、廣州生物島實驗室李棟研究員為該論文的通訊作者(Lead contact)。本研究得到了科技部、國家自然科學基金委、中國科學院、騰訊“科學探索獎”的資助。

文章連結:https://doi.org/10.1016/j.devcel.2021.01.015

資料標籤: 科學 科普
本文標題: 中國科學院生物物理研究所李棟課題組揭示MALAT1-m6A修飾的生物學功能
永久網址: https://www.laoziliao.net/doc/1656067007360936
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