Nat Commun|芝加哥大学何川团队发现mRNA上m7G修饰的识别蛋白IGF2BP3可促进mRNA降解

文摘   2024-11-27 08:30   广东  


迄今为止,研究发现了超过150RNA修饰RNA修饰受到修饰酶(writer去修饰酶(eraser识别蛋白(reader三类因子的调控,进一步影响诸多生物过程。RNA修饰的失调与人类疾病密切相关。除了最常见的mRNA内部修饰m6AN6-甲基腺苷)以外,在mRNA内部也发现了m7G的分布。m7G不仅是mRNA的帽子修饰的一部分,也是tRNArRNA的内部修饰,并在2019首次被发现也存在于癌细胞mRNA内部[1,2]tRNAm7G修饰酶METTL1-WDR4复合物也调控了部分mRNA内部m7G的修饰。2023年,美国希望之城贝克曼研究所的Jianjun Chen教授课题组报道了第一组mRNAm7G的识别蛋白QKI [3]QKI家族蛋白中尤其是QKI7能与mRNAm7G相互作用,调节细胞在应激反应下mRNA的降解与翻译。另一方面,METTL1tRNAm7G修饰在癌症中的调控机制也在近几年引起了广泛关注。在神经母细胞瘤和胶质母细胞瘤中,METTL1都呈现明显的高表达,且这一高表达与致癌转录本的翻译密切相关。而癌症中METTL1的高表达,除了通过tRNA上的修饰影响转录本的翻译外,是否也会通过其对mRNA的修饰影响疾病发展尚未可知。


近日,芝加哥大学何川教授课题组在Nature Communications杂志发表了题为 “IGF2BP3 promotes mRNA degradation through internal m7G modification” 的研究成果,识别出IGF2BP蛋白家族,尤其是IGF2BP3,可以优先结合癌细胞中 mRNA上的内部m7G。这一特异性结合,通过IGF2BP3与外泌体复合物的EXOSC2相互作用,可以促进 m7G 修饰的转录本的降解。研究团队进一步利用无催化活性的 dCas13b系统分别与IGF2BP3METTL1偶合,对转录本上特定位点m7G修饰进行调控,从而改变转录本的稳定性。受到了METTL1 与胶质母细胞瘤中p53相关通路高度相关性的启发,研究人员发现癌症中重要基因p53的转录本 TP53在其3’UTR处存在m7G修饰,并受到了METTL1 的调控。在胶质母细胞瘤中,利用dCas13b系统靶向TP53m7G修饰,可以促进TP53转录本的降解并下调其蛋白质水平,显著影响胶质母细胞瘤生长和化疗耐药性。(拓展阅读:何川课题组相关研究进展,详见岚翰生命科学报道(点击阅读)Nat Commun︱芝加哥大学何川团队开发高精度检测调控原件转录活性的新方法Genome Biol︱何川团队解析YTHDF家族蛋白功能的不同


METTL1在诸多癌症中都展现了高表达。在神经胶质瘤中METTL1的高表达水平与低生存率相关。而在有TP53突变的病人中,METTL1的表达对存活率的影响显著降低。与此同时,METTL1m7G修饰酶复合物的另一成员WDR4均与p53TP53蛋白)相关的通路高度关联。TP53被誉为基因组的守护者,是人类癌症中最常见的突变基因之一。在进一步研究了这些相关通路中基因的m7G修饰情况后,研究人员发现,根据已有的在HepG2细胞中的数据,TP533’ UTR 非翻译区的末端存在m7G的修饰。这一修饰也受到METTL1的调控。在几种代表性的胶质母细胞瘤细胞系中,TP53的同一区域均存在m7G修饰。有趣的是,m7G修饰的相对丰度和TP53转录本的表达水平呈明显的负相关。

1 TP53转录本上存在m7G修饰,受到METTL1调控,并与转录本的表达量密切相关。


为了探究修饰与转录本的调控关系,研究人员利用了体外合成的RNA探针来富集特定识别m7G修饰的蛋白组,而IGF2BP蛋白家族展现出了对m7G极强的倾向性IGF2BP 1-3是重要的 RNA 结合蛋白,也曾被报导是m6A的识别蛋白,可以调控对应转录本的翻译和降解。虽然它们的结构排列非常类似,但根据进一步实验的验证,IGF2BP3更倾向于结合m7GIGF2BP1能更好识别m6A。测序结果显示, IGF2BP家族蛋白与m7G的相互作用主要集中在3’ UTR

2 IGF2BP家族蛋白与m7G相互作用


进一步的研究发现IGF2BP1IGF2BP3m7G修饰相互作用,会促进mRNA的降解。这一效果与修饰丰度和IGF2BP蛋白结合强度都呈正相关。考虑到IGF2BP蛋白也会结合m6A并增强mRNA的稳定性,研究人员细致探讨了这两种修饰在与IGF2BP蛋白相互作用时的潜在关联与差异。首先,在转录本水平上两种修饰的丰度并没有呈现出相关性。其次,虽然有大约15%m7G修饰信号与m6A的相邻,但如果将IGF2BP的结合位点纳入考虑,这一比例明显减少,说明在与IGF2BP蛋白相互作用上,两种修饰并没有太多的互相干扰。另外,在细分两类修饰的丰度后,研究人员发现,在有m6A修饰的mRNA上,随着m7G的修饰水平的上升,对应mRNA的稳定性也逐步降低。与此同时,m7G促进降解的调控功能并不受到m6A修饰酶METTL3敲降的影响。有趣的是,在mRNA的稳定性调控上,双重修饰的转录本在被IGF2BP3调控时表现更接近于仅有m7G修饰的转录本,充分展示了在IGF2BP家族中IGF2BP3m7G高亲和性。

3 IGF2BP1IGF2BP3促进m7G修饰转录本的降解


为了更好的验证IGF2BP3m7G的识别和调控,研究人员利用了无催化活性的RNA靶向系统dCas13体系,与IGF2BP3METTL1结合,从而位点特异性地调节IGF2BP3m7G修饰的相互作用,以促进转录本的降解。与此同时,受到之前研究的启发,根据进一步的免疫共沉淀实验结果,也证实了EXOSC2,作为外泌体复合物的组成蛋白之一,参与了IGF2BP3介导的转录本降解调控

在详细表征了IGF2BP3m7G的特异性识别后,研究人员将目光转回了METTL1高表达的神经胶质瘤系统。针对IGF2BP3m7G的基因本体分析(Gene Ontology)富集了与神经胶质瘤以及p53相关的通路。在神经胶质瘤中,IGF2BP3也处于高表达状态,其高表达与低生存率的相关性也与METTL1类似,受到TP53突变的影响。


研究人员首先在不同的胶质母细胞瘤细胞系验证了TP53位于3’UTR的修饰。与之前HepG2细胞中一致,这一修饰也受到了METTL1的调控,并与IGF2BP3相互作用促进转录本的降解。由于 p53 广泛参与癌症调控,为了更好地研究这一修饰的生物学意义,研究人员分别在p53野生型(U87MG)和p53突变(T98G)的细胞系中研究了m7G对于细胞生长和耐药性的调控。野生型 p53 在细胞周期调控中起着重要作用,参与 DNA 损伤修复、细胞周期调控和细胞凋亡p53野生型的细胞中,dCas13b-IGF2BP3体系的引入加快了TP53转录本的降解,也进一步降低了其蛋白表达量,促进了癌细胞的生长。而在T98G细胞系中,其p53突变体则会提高MGMTO6-甲基鸟嘌呤 DNA 甲基转移酶) 蛋白表达水平,使其对化疗药物替莫唑胺 (temozolomideTMZ) 的治疗有极强的抗药性。T98G细胞中,dCas13b-IGF2BP3体系也会降低TP53转录本与蛋白的表达量,从而明显降低细胞对于TMZ的抗药性。这些发现充分展示了m7G修饰mRNA调控中的作用,其与IGF2BP3介导的mRNA降解机制可能成为潜在的治疗靶点。

4 在胶质母细胞瘤中,位点特异的引入IGF2BP3促进TP53转录本的降解,下调其蛋白表达并影响细胞生长与抗药性
文章结论与讨论,启发与展望

该研究主要探索了IGF2BP3如何通过识别mRNA的内部m7G修饰来促进mRNA的降解,从而实现对特定通路的调控,为进一步深入研究m7G的生物学意义提供了基础,并拓宽了对与mRNA修饰多样性的认知。


与此同时,由m7GIGF2BP3介导的mRNA降解机制可能成为潜在的治疗靶点。TP53m7G修饰为理解RNA修饰与人类疾病之间的联系提供了新的视角,也为基于RNA修饰调控的癌症治疗和其他疾病治疗提供了新的思路。

原文链https://www.nature.com/articles/s41467-024-51634-w

芝加哥大学博士毕业生刘畅(现斯坦福博士后),芝加哥大学博士后豆晓阳(现中科院分子细胞科学卓越创新中心研究员)和芝加哥大学博士学生赵宇涛是论文的共同第一作者,芝加哥大学何川教授是论文通讯作者。该研究成果由美国National Institute of Health基金提供支持。


     
参考文献

[1] Zhang, L. S. et al. Transcriptome-wide mapping of internal N7-methylguanosine methylome in mammalian mRNA. Mol. Cell 74, 1304–1316.e1308 (2019).

[2] Pandolfini, L. et al. METTL1 promotes let-7 microRNA processing via m7G methylation. Mol. Cell 74, 1278–1290.e1279 (2019).

[3] Zhao, Z. et al. QKI shuttles internal m7G-modified transcripts into stress granules and modulates mRNA metabolism. Cell 186, 3208–3226.e3227 (2023).
 


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