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生物物理所揭示MALAT1-m6A修饰的生物学功能

2021-02-22 生物物理研究所
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  2月20日,中国科学院生物物理研究所研究员李栋课题组在Developmental Cell上,以长文(Article)形式发表了题为N6-methyladenosine modification of MALAT1 promotes metastasis via reshaping nuclear speckles的研究论文。该研究综合运用长时程超分辨率活细胞成像、CUT&Tag测序和定量蛋白质组学等技术方法,揭示了lncRNA MALAT1存在m6A修饰富集区;MALAT1-m6A对维持核斑(Nuclear Speckles)组分动态平衡,进而在调控癌细胞的增殖和侵袭转移中起关键作用。

  N6-甲基腺苷(m6A)修饰是一种普遍存在且具有重要生物学功能的RNA化学修饰,细胞内几乎所有类型的RNA分子中均广泛存在m6A修饰。目前,一些研究均通过调控m6A甲基转移酶(Writer)、去甲基化酶(Eraser)和m6A阅读蛋白(Reader)的活性来研究m6A修饰的生物学功能,但这些策略改变了整个转录组的m6A状态,最终表型取决于来自不同类型转录本m6A状态变化的综合效应,导致不易确定究竟是哪种或哪类转录本的m6A修饰对最终表型起主要作用,甚至会得到相互矛盾的结论。因此,亟需开展具有转录本特异性的m6A功能研究。此外,MALAT1基因在脊椎动物中高度保守,其转录本是一种长度约为8 kb的长链非编码RNA(long noncoding RNA, lncRNA),在核斑上高度富集。已有研究发现,lncRNA MALAT1的高表达与非小细胞肺癌、食管癌等肿瘤的侵袭转移风险高度正相关。然而,学界尚未明确MALAT1如何促进侵袭转移发生的分子机制。

  研究人员对食管癌细胞系KYSE-30进行meRIP-seq,发现MALAT1富含30个高度可信的m6A修饰位点,其中有28个集中分布在长度约为1.5 kb且高度保守的区域内。研究进一步发现,虽然MALAT1基因表达量在缺失m6A修饰后几乎无变化,但数百个癌症相关基因的表达量在MALAT1-Δm6A细胞中发生了显著变化,并展现出增殖和侵袭转移能力显著抑制的表型。为阐明MALAT1-m6A如何调控侵袭转移,研究人员利用定量蛋白质谱,发现MALAT1-Δm6A能够导致几十种核斑定位蛋白在核斑上富集程度降低;利用自主开发的3D-SIM超分辨显微镜和光片显微镜,系统对比了野生型和MALAT1-Δm6A细胞中RBM15、YTHDC1、SF3A1、PABPN1与核斑的共定位、动态互作等性质的差别。成像结果表明,与野生型细胞相比,在MALAT1-Δm6A细胞中,RBM15斑点与核斑的互作(contact)显著减少,同时YTHDC1、SF3A1和PABPN1在核斑中的富集显著降低;这些蛋白在核斑富集水平的降低可被野生型MALAT1恢复,但无法被m6A突变型MALAT1恢复。

  核斑组分的变化导致癌症相关基因表达发生什么样的改变?研究人员利用CUT&Tag测序,发现核斑与相关基因的结合位点主要位于这些基因的转录起始位点,而MALAT1-Δm6A显著减弱了核斑与转录起始位点的结合,这其中包括420个在MALAT1-Δm6A细胞中转录下调的基因。研究人员选取JUN和TWIST2两个代表性原癌基因,用3D-SIM超分辨成像统计了免疫荧光标记的核斑与DNA-FISH标记的基因座位的相对距离,结果表明,MALAT1-Δm6A使上述两个基因与核斑的接触频率显著下降,这印证了CUT&Tag测序结果。研究人员进一步在m6A缺陷的MALAT1基因座位敲入MS2适配子序列,以此实现m6A reader蛋白YTHDC1的特异性回补(MALAT1-Δm6A+MCP-YTHDC1)。结果显示,通过在lncRNA MALAT1-Δm6A上特异性结合YTHDC1,可重新富集大多数含量下调的核斑蛋白,进而恢复核斑与癌症相关基因的结合,促进其表达,最终可在小鼠模型中显著恢复MALAT1-Δm6A细胞的增殖和侵袭转移能力。

  综上,该研究展示了超分辨显微成像提供的时空动态信息与分子生化、质谱、测序等实验结果互为补充和印证,从多个角度揭示了lncRNA MALAT1的m6A修饰在癌细胞增殖和侵袭转移能力中发挥关键作用。生物物理所李栋课题组助理研究员、博士王新禹博士(兼共通讯作者)和博士研究生刘冲、张思微为论文的共同第一作者,李栋为论文通讯作者(Lead contact)。生物物理所卜鹏程课题组对动物实验提供了帮助,研究工作得到科学技术部、国家自然科学基金委、新万博、腾讯“科学探索奖”的资助。

  论文链接 

图1.野生型和MALAT1-Δm6A细胞中RBM15斑点与核斑互作,以及YHDC1在核斑中富集程度的对比

图2.MALAT1通过其m6A修饰调控基因表达示意图

打印 责任编辑:张芳丹
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