RNA修飾ac4C的調(diào)控機制、檢測方法及其在癌癥中的作用最新研究進展
瀏覽次數(shù):784 發(fā)布日期:2024-8-15
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N4-乙酰胞苷(ac4C)是一種高度保守的化學修飾,廣泛存在于真核和原核生物RNA中,如tRNA、rRNA和mRNA。這種修飾與多種人類疾病顯著相關(guān),尤其是癌癥,其形成主要依賴于N-乙酰轉(zhuǎn)移酶10(NAT10)(唯一已知ac4C的writer蛋白)的催化活性。本文討論了ac4C的檢測技術(shù)及其調(diào)控機制,并總結(jié)了ac4C與腫瘤發(fā)生、發(fā)展、預(yù)后和藥物治療的相關(guān)性。此外還對早期腫瘤診斷和預(yù)后預(yù)測的新生物標志物以及腫瘤治療的新靶點進行了評論。
ac4C的調(diào)控機制
由于ac4C是一種新發(fā)現(xiàn)的RNA修飾,其形成和作用機制尚未被充分探索。到目前為止,只發(fā)現(xiàn)了一種ac4C的writer蛋白,而eraser和reader蛋白仍然未知。唯一已知的ac4C writer蛋白NAT10促進RNA中ac4C殘基的形成機制還有待研究。
調(diào)控因子
調(diào)節(jié)RNA中ac4C的eraser和reader蛋白尚未被發(fā)現(xiàn)。ac4C writer蛋白NAT10最早在2003年被報道,并被揭示具有組蛋白乙酰化活性。NAT10是一種RNA乙酰轉(zhuǎn)移酶,能夠催化RNA中ATP依賴性乙酰化形成,是唯一已知的ac4C writer蛋白。NAT10屬于G蛋白亞基α轉(zhuǎn)導蛋白(GNAT)超家族的N-乙酰轉(zhuǎn)移酶,可催化組蛋白和非組蛋白蛋白的乙;。NAT10蛋白包含一個乙酰酶結(jié)構(gòu)域和一個RNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域,使其能夠在各種轉(zhuǎn)錄本(如18S rRNA、tRNA和mRNA)中催化ac4C形成。該催化過程會消耗乙酰輔酶A和ATP,在某些情況下(如tRNA中ac4C形成)需要THUMPD1接頭蛋白的協(xié)助。此外,ac4C形成還需要snoRNA的反義序列與靶序列結(jié)合。而mRNA中ac4C形成所需的輔因子尚未被發(fā)現(xiàn),以及各種RNA中的ac4C位點是否可以去乙;匀晃粗。
ac4C位點分布及其對RNA的影響
N4-乙酰胞苷修飾在RNA中含量豐富,并在tRNA、mRNA和rRNA中富集(圖1)。它于1966年首次在酵母tRNA中被發(fā)現(xiàn),于1978年在rRNA中被發(fā)現(xiàn)。這種修飾位于tRNAMet的擺動堿基和tRNASer及tRNALeu的D臂上。NAT10 writer蛋白介導哺乳動物18S rRNA的1842和1337核苷酸上的ac4C修飾。在萌發(fā)的Schizomyces sp.和人類結(jié)直腸癌HCT 116細胞中,18S rRNA包含兩個ac4C位點,第一個位于螺旋34,主要促進維持翻譯的準確性;另一個位于螺旋45,在tRNA中形成的ac4C位點提高了蛋白質(zhì)翻譯的保真度,并維持生物體耐熱性,而在rRNA中的修飾則增強了蛋白質(zhì)翻譯的準確性。
圖1:ac4C修飾在mRNA、tRNA和rRNA中的位點
大部分早期研究主要集中在定義tRNA和rRNA中的ac4C修飾,而近年來,研究的重點逐漸轉(zhuǎn)移到mRNA中的ac4C上。mRNA在其polyA尾巴附近的編碼序列中ac4C殘基富集,這些殘基的豐度從基因轉(zhuǎn)錄的5′端向3′端逐漸減少。富含ac4C的mRNA具有更長的半衰期。對ac4C peaks密碼子組成的生物信息學分析表明,在擺動位點中胞嘧啶強富集。mRNA編碼序列中ac4C的存在強刺激了翻譯延伸,而5′非翻譯區(qū)(UTR)中的修飾則調(diào)控翻譯啟動。破壞NAT10活性會消除mRNA定位位點的ac4C,揭示了乙;饔锰岣吡薽RNA的穩(wěn)定性和翻譯效率。
NAT10酶調(diào)控脂肪酸代謝
NAT10酶調(diào)控脂肪酸(fatty acid,F(xiàn)A)代謝,這一點在癌細胞的增殖和存活中尤為重要。NAT10缺失的癌細胞表現(xiàn)出增殖和存活率降低,促使科研人員進一步探究背后的原因。越來越多的證據(jù)表明,脂肪酸代謝在轉(zhuǎn)移和治療抗性中扮演著至關(guān)重要的角色。因此,探索FA代謝信號通路對于癌癥的研究和治療至關(guān)重要。轉(zhuǎn)錄組分析揭示了NAT10調(diào)控許多與FA代謝相關(guān)的基因,包括ELOVL脂肪酸延伸酶6(ELOVL6)、短鏈/支鏈;o酶A脫氫酶(ACADSB)、乙酰輔酶A乙酰轉(zhuǎn)移酶1(ACAT1)以及長鏈;o酶A合成酶家族成員1、3和4(ACSL1、3和4)。此外,NAT10通過催化ac4C形成,提高FA代謝基因的mRNA穩(wěn)定性,從而調(diào)控FA代謝(圖2)。研究ac4C對棕櫚酸驅(qū)動的脂質(zhì)積累的影響結(jié)果表明,NAT10以ac4C依賴性方式調(diào)控癌細胞中棕櫚酸驅(qū)動的FA代謝。乙酰輔酶A是NAT10催化的RNA乙;饔玫牡孜,并作為FA代謝通路中的核心分子參與FA代謝。這些發(fā)現(xiàn)表明,NAT10參與脂質(zhì)積累和FA代謝,強調(diào)了在癌癥的背景下探索其機制的必要性。
圖2:NAT10參與脂肪酸代謝
癌細胞的生長和增殖需要生物分子,包括核酸、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)。例如,脂質(zhì)如三酰甘油、膽固醇、二酰甘油和磷脂,對健康細胞和癌細胞的能量供應(yīng)和膜結(jié)構(gòu)完整性有所功能,并在各種生物過程中作為信號分子發(fā)揮作用。NAT10缺失的癌細胞特征是細胞生長和增殖減少,這可能與NAT10缺失導致這些細胞中FA代謝相關(guān)基因的ac4C修飾形成減少有關(guān),從而導致脂質(zhì)水平下降。細胞增殖依賴于FA代謝基因,NAT10在癌細胞中的枯竭引發(fā)FA代謝功能障礙,導致細胞死亡。
ac4C檢測技術(shù)
由于ac4C修飾不影響互補的CG堿基對,在常規(guī)RNA測序中無法檢測到。為此,科學家們開發(fā)了多種檢測ac4C RNA的方法(表1),例如高效液相色譜(HPLC)和液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(LC-MS),用于ac4C RNA的定性和定量檢測。還開發(fā)了一種名為乙酰化RNA免疫沉淀測序(acRIP-seq)的高通量方法,該方法使用靶向ac4C RNA的特異性抗體來獲取精確的序列信息。N4-乙酰胞苷測序(ac4C-seq)是另一種化學輔助測序方法,它使用硼氫化物將ac4C還原為N4-乙酰-3,4,5,6-四氫胞嘧啶,并通過對隨后逆轉(zhuǎn)錄中由N4-乙酰-3,4,5,6-四氫胞嘧啶引起的突變位置以確定ac4C RNA位點。此外還有如PACES和機器學習模型XG-ac4C,用于預(yù)測mRNA中的ac4C位點。
表1:ac4C檢測技術(shù)總結(jié)
基于高效液相色譜法(HPLC)
高效液相色譜法(HPLC)是一種用于分離和鑒定混合物中各個組分的分析技術(shù)。基于柱色譜法(column chromatography)的基本原理,HPLC能夠?qū)NA酶解獲得的普通核苷和修飾核苷分離出來,從而實現(xiàn)對RNA中不同修飾核苷酸的檢測和分析。反相高效液相色譜(RP-HPLC)是一種基于液相色譜技術(shù)的分離方法,它利用不同化合物在反相固定相上的親水性差異進行分離,是檢測修飾核苷酸的敏感且有效的方法。在綠豆核酸酶保護實驗中使用RP-HPLC來鑒定真核rRNA中螺旋34的ac4C位點,揭示了酵母小核仁RNA(snoRNA)負責介導rRNA乙;。
盡管HPLC能夠鑒定RNA中的多種修飾核苷酸,但它需要大量的溶劑進行分離,并且不能對具有相似保留時間的核苷酸進行定性和定量分析。此外,基于HPLC的方法無法放大信號,導致靈敏度有限。2008年,Damien等人建立了分子印跡固相萃。∕ISPE)技術(shù),用于從尿液中提取嘧啶,提高了隨后檢測中HPLC結(jié)果的靈敏度。然而,由于MISPE需要在pH=10的條件下處理樣本,導致ac4C在堿性條件下水解為C,阻礙ac4C分析。
基于液相色譜-質(zhì)譜法
液相色譜-質(zhì)譜(LC-MS)是液相色譜(LC)與質(zhì)譜(MS)的結(jié)合體,它通過在高效液相色譜中離子化樣品,根據(jù)離子的質(zhì)荷比進行分離,然后使用質(zhì)譜檢測每個離子譜峰的分子量信息,從而實現(xiàn)對樣品的分析。LC-MS可以用于翻譯后蛋白質(zhì)修飾和轉(zhuǎn)錄后非編碼RNA的修飾。例如,Tardu等人嘗試使用已建立的HPLC串聯(lián)質(zhì)譜方法,通過使用標準物質(zhì)來同時以高精度、高靈敏度和高選擇性檢測酵母mRNA中可能存在的核苷酸變體。然而,這種方法過程復雜,并且需要對RNA樣品進行復雜的預(yù)處理。
基于抗體富集方法
基于抗體的方法使用靶向ac4C抗體來檢測RNA序列中的ac4C,通過沉淀修飾過的RNA通過深度測序來鑒定。這些技術(shù)具有信號放大的優(yōu)勢,并已用于檢測人類和病毒mRNA中的ac4C。2018年,Arango等人使用乙酰化RNA免疫沉淀測序(acRIP-seq)技術(shù)富集人類mRNA中的ac4C位點,這是首次在4000多個區(qū)域中鑒定出這些位點,并揭示其與翻譯起始、mRNA定位和翻譯抑制調(diào)控相關(guān)。這項技術(shù)(圖3A)基于抗體特異性結(jié)合RNA樣本中ac4C殘基的原理,樣本被處理成較小的RNA片段,并與ac4C抗體或同源單克隆IgG對照混合進行免疫沉淀;隨后進行高通量測序以鑒定發(fā)生乙;腞NA區(qū)域。盡管這種方法產(chǎn)生了數(shù)千個富集ac4C的轉(zhuǎn)錄區(qū)域,但reads結(jié)果可能受到mRNA和抗體親和力的影響。
圖3:用于檢測RNA ac4C 修飾的兩種方法。A. 基于抗體方法;B. 基于硼氫化物還原法
硼氫化物還原法
由于ac4C修飾中吡啶環(huán)的電子密度顯著低于胞嘧啶,因此ac4C容易被硼烷還原。同時ac4C也容易在堿性條件下發(fā)生去乙;。基于ac4C的這些化學特性,研究人員開發(fā)了一種稱為ac4C-seq的新檢測方法。2018年,Thomas等人使用硼氫化物還原法在單堿基分辨率下檢測18S rRNA中的ac4C。在這種方法中,氰化硼氫化鈉在酸性條件下將ac4C還原為N4-乙酰-3,4,5,6-四氫胞嘧啶(圖3B)。在逆轉(zhuǎn)錄過程中,被還原的堿基被誤讀為U而不是C,使得后續(xù)cDNA測序(ac4C-seq)中可以在ac4C位點觀察到C到T突變。然而,這種反應(yīng)的選擇性較低,因為氫化物也可以還原包含其他電子缺失雜環(huán)的堿基修飾。因此,在實際應(yīng)用中,應(yīng)設(shè)計對照試驗,結(jié)合不穩(wěn)定ac4C的水解特性,以更高準確性確定ac4C位點。
ac4C-seq相較于其他方法的主要優(yōu)勢在于能夠在核苷酸分辨率下定量檢測ac4C,并且適用于檢測ac4C反應(yīng)動態(tài)。其靈敏度主要取決于ac4C的化學計量比和測序深度,理論上可以通過使用抗體預(yù)富集含ac4C的RNA樣本來提高。然而,它的最大局限性在于它完全依賴于C到T檢測,可能會在測序過程中低估RNA上修飾的豐度。
預(yù)測ac4C位點的計算方法
盡管人類轉(zhuǎn)錄組中ac4C修飾分布廣泛,但使用前述方法只檢測到少數(shù)帶有修飾序列的轉(zhuǎn)錄本。Zhao等人開發(fā)了一種名為PACES的基于機器學習的ac4C預(yù)測器,有助于挖掘用于input的人類mRNA乙酰化序列。PACES在motif水平上進行預(yù)測,通過結(jié)合特定位點的二核苷酸序列譜(PSDSP)和K-核苷酸頻率(KNF)獲取序列特征。盡管這種方法在交叉驗證和獨立基準測試中預(yù)測ac4C位點方面表現(xiàn)出良好的性能,但它有一些局限性。首先,由于高通量檢測鑒定ac4C修飾的分辨率有限,PACES只預(yù)測可能發(fā)生乙;膍otif,而不是確切位點。其次,重復的CXX motif仍然不清楚。第三,由于可用數(shù)據(jù)有限,PACES無法預(yù)測不同組織或物種。
此外,Alam等人提出了一個名為XG-ac4C的計算模型,該模型基于XGboost算法來確定mRNA中的ac4C修飾位點。對XG-ac4C模型的評估表明,它在交叉驗證和獨立測試中的性能優(yōu)于最先進的方法。
ac4C在癌癥中的作用
癌癥是一種嚴重威脅人類健康的疾病,其發(fā)展進程與RNA ac4C修飾形成有關(guān)。NAT10 writer蛋白在腫瘤組織中高表達,催化多種與癌癥相關(guān)的基因編碼RNA ac4C殘基形成,從而促進腫瘤進展(表2)。因此,未來關(guān)于ac4C修飾相關(guān)作用研究應(yīng)該揭示其在腫瘤進展中的機制,以提供早期腫瘤診斷和治療的新思路和方法。新的治療方法可能會提高癌癥患者的生存率和生活質(zhì)量。
表2:ac4C修飾致癌基因在癌癥中的功能
結(jié)直腸癌(Colon cancer)
結(jié)直腸癌是一種常見的消化道惡性腫瘤,也是全球癌癥相關(guān)死亡的主要原因之一,30%~50%的結(jié)直腸癌患者在治療后5年內(nèi)出現(xiàn)復發(fā)、轉(zhuǎn)移或死亡。盡管近年來結(jié)直腸癌的篩查和治療策略有所改善,但晚期結(jié)直腸癌患者的預(yù)后仍然不佳,主要是因為疾病的分子機制仍然不清楚。因此,研究這些機制對于發(fā)現(xiàn)預(yù)測結(jié)直腸癌發(fā)生或改善患者預(yù)后的有效靶向治療策略非常必要。
Zheng等人通過慢病毒轉(zhuǎn)導建立了NAT10敲低和過表達細胞系,以研究NAT10在結(jié)直腸癌中的作用。研究結(jié)果表明NAT10水平與細胞增殖顯著相關(guān);敲低該蛋白顯著抑制細胞增殖。其他研究表明NAT10促進結(jié)直腸癌細胞增殖,且增強結(jié)直腸癌細胞進展的機制在細胞周期的G0/G1至G2/M期活化。此外,NAT10參與結(jié)直腸癌細胞轉(zhuǎn)移;下調(diào)NAT10可抑制細胞遷移并減少侵襲性癌細胞數(shù)量?傊,NAT10在結(jié)直腸癌中表達上調(diào),并與預(yù)后不良相關(guān)。
為進一步探索NAT10促進結(jié)直腸癌細胞增殖和轉(zhuǎn)移的潛在分子機制,Zheng等人進行了轉(zhuǎn)錄組學分析實驗,結(jié)果表明在NAT10敲低細胞中,鐵死亡抑制蛋白1(FSP1)表達失調(diào)。Dalhat等人探討了NAT10和FSP1蛋白之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)NAT10通過FSP1在癌細胞中作為鐵死亡通路的表觀遺傳轉(zhuǎn)錄組調(diào)控因子。實時熒光定量PCR和Western blotting證實,在NAT10過表達細胞中FSP1表達增加,而在NAT10敲低細胞中減少。此外,ac4C乙;腇SP1 mRNA的水平在NAT10敲低細胞中持續(xù)下降,但在過表達細胞中上升,與蛋白表達一致?偨Y(jié)來說,NAT10通過催化FSP1 mRNA中的ac4C形成來增強其在結(jié)直腸癌細胞中的穩(wěn)定性,從而上調(diào)FSP1表達。FSP1蛋白是一種谷胱甘肽非依賴性鐵死亡抑制劑。NAT10敲低細胞還表現(xiàn)出增強的GSH消耗和增加的脂質(zhì)活性氧、鐵離子和丙二醛水平。此外,這些細胞的透射電子顯微鏡觀察顯示線粒體基質(zhì)凝聚并形成擴大的嵴,表明敲低NAT10在結(jié)直腸癌細胞中誘導鐵死亡。Ferrostatin-1是一種合成抑制劑,可抑制鐵死亡所需的脂質(zhì)過氧化。Ferrostatin-1抑制的鐵死亡不影響載體對照細胞的增殖和轉(zhuǎn)移,但在NAT10敲低細胞中增加了這兩個過程。
這些研究表明,抑制鐵死亡可以逆轉(zhuǎn)NAT10下調(diào)介導的結(jié)直腸癌細胞增殖和轉(zhuǎn)移抑制?偨Y(jié)來說,NAT10通過催化FSP1 mRNA ac4C形成來增強FSP1 mRNA穩(wěn)定性,從而上調(diào)FSP1表達。FSP1表達上調(diào)反過來抑制結(jié)直腸癌細胞的鐵死亡,促進了其增殖和轉(zhuǎn)移(圖4A)。
圖4:NAT10參與腫瘤進展的相關(guān)機制。
A. NAT10介導的FSP1 mRNA ac4C參與結(jié)直腸癌進展。
B. NAT10介導的HNRNPUL1 mRNA ac4C參與宮頸癌進展。
子宮頸癌(Cervical cancer)
宮頸癌是生殖系統(tǒng)中最常見的惡性腫瘤,也是女性中發(fā)病率和死亡率最高的癌癥之一。近年來,這種疾病在年輕女性中的發(fā)病率有所上升,人乳頭瘤病毒(HPV)感染是其最重要的危險因素。但并非所有HPV感染患者都會發(fā)展成宮頸癌,表明HPV感染不足以導致疾病的發(fā)生。實際上,表觀遺傳事件可能是疾病發(fā)生所必需的。由于宮頸細胞學篩查的廣泛使用,可以在早期發(fā)現(xiàn)和治療,近幾十年來宮頸癌的發(fā)病率和死亡率顯著下降。然而,由于各種治療方法(手術(shù)、放療、化療、免疫治療等)對晚期或復發(fā)宮頸癌患者的臨床效果較低,這些患者的預(yù)后仍然不佳。因此,研究宮頸癌的分子機制和尋找新的生物標志物對提高患者生存率至關(guān)重要。
Long等人通過轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn),NAT10在宮頸癌細胞中表達上調(diào),敲除NAT10可以抑制其增殖、侵襲和遷移。異種移植模型證實了NAT10的致癌功能。最近的證據(jù)表明,NAT10在宮頸癌中的標靶是異質(zhì)核糖核蛋白U樣1(HNRNPUL1)。NAT10蛋白通過催化ac4C形成并增加HNRNPUL1 mRNA的穩(wěn)定性來調(diào)節(jié)宮頸癌細胞中HNRNPUL1表達?傊,NAT10通過ac4C修飾增強HNRNPUL1 mRNA的穩(wěn)定性,促進宮頸癌發(fā)展(圖4B)。
采用數(shù)據(jù)庫分析方法研究NAT10與宮頸癌細胞惡性行為之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明,NAT10高表達與宮頸癌患者的不良預(yù)后相關(guān)。這些細胞中NAT10過表達可以提高其生長和增殖,并促進侵襲和遷移。生物信息學分析顯示,盤狀蛋白結(jié)構(gòu)域受體酪氨酸激酶1(DDR1)可能是NAT10的下游靶基因。Western blotting和RT-qPCR結(jié)果揭示NAT10過表達顯著上調(diào)DDR1蛋白和mRNA水平,表明NAT10通過催化DDR1 mRNA中的ac4C來增加DDR1表達。因此,NAT10通過乙;岣逥DR1 mRNA穩(wěn)定性,促進宮頸癌細胞的生長、增殖、侵襲和遷移。
胃癌(GC)
GC是消化系統(tǒng)中常見的惡性腫瘤,也是全球癌癥相關(guān)死亡的第四大原因。這種疾病通常由幽門螺桿菌(Helicobacter pylori)感染引起。早期胃癌患者在手術(shù)治療和輔助療法后病情有顯著改善,5年生存率超過90%。然而,晚期疾病患者的預(yù)后仍然較差,5年生存率不到25%。因此,了解潛在的機制并開發(fā)新的靶向治療方案對于改善胃癌患者的臨床預(yù)后非常必要。
Deng等人研究了ac4C修飾與胃癌發(fā)生之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)與健康細胞相比,GC細胞中NAT10顯著上調(diào)。幽門螺桿菌感染有助于NAT10誘導,通過MDM2原癌基因(MDM2)調(diào)節(jié)p53穩(wěn)定性。NAT10酶催化MDM2 mRNA中的ac4C形成,提高其穩(wěn)定性和過表達。MDM2表達增強會降解p53,促進胃癌發(fā)生(圖5A)。在人類胃癌AGS細胞中敲除NAT10可減少總RNA和mRNA的ac4C修飾,并抑制腫瘤細胞的增殖和侵襲。此外,細胞還會經(jīng)歷顯著的G2/M細胞周期停滯和凋亡。當細胞用NAT10抑制劑Remodelin處理時,這些NAT10效應(yīng)被逆轉(zhuǎn),表明其抗胃癌活性。
圖5:NAT10相關(guān)通路與腫瘤發(fā)展有關(guān)。
A. HP-NAT10-MDM2-p53信號軸促進GC發(fā)育。
B. LINC00623 lncRNA-NAT10信號軸促進胰腺癌進展。
在胃癌(GC)中,NAT10過表達還通過ac4C形成來上調(diào)V型膠原蛋白α1鏈(COL5A1),促進胃癌的上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)和轉(zhuǎn)移。Zhang等人進行體內(nèi)外實驗以研究NAT10與胃癌惡性轉(zhuǎn)化之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明NAT10表達下調(diào)抑制胃癌細胞遷移,而NAT10過表達則增強胃癌細胞遷移。研究還使用Western blotting、RT-qPCR和免疫熒光證實了NAT10促進胃癌細胞中EMT進展。
胰腺癌(Pancreatic cancer)
胰腺癌是一種高度惡性的腫瘤,是世界上癌癥死亡的第七大原因。治療胰腺癌面臨許多挑戰(zhàn),主要源于晚期診斷和治療抗性。盡管手術(shù)有潛力治愈胰腺癌,但通常需要聯(lián)合治療干預(yù),其不良反應(yīng)經(jīng)常嚴重影響患者的生活質(zhì)量。因此,開發(fā)具有高特異性和敏感性的新診斷方法和治療策略是當前研究工作的重點。
Xu等人收集了胰腺癌組織的基因組數(shù)據(jù),并構(gòu)建NAT10亞組表型,以評估NAT10水平與胰腺癌患者的臨床病理特征之間的關(guān)聯(lián)。該團隊發(fā)現(xiàn)NAT10參與疾病的臨床結(jié)果以及腫瘤組織浸潤、藥物抗性、遷移和克隆形成潛力。他們指出胰腺癌組織表現(xiàn)出異常增加的NAT10表達,并且異常表達的患者預(yù)后較差。此外,他們還展示了癌細胞組織中AKT絲氨酸/蘇氨酸激酶(AKT)的激活與細胞增殖正相關(guān)。因此,異常的NAT10表達可能通過觸發(fā)PI3K-AKT通路促進胰腺癌的惡性增殖。NAT10異常表達還促進TGF-β信號和血管生成,促進胰腺癌細胞的轉(zhuǎn)移。使用兩種siRNA敲低NAT10可以減少胰腺癌細胞的集落形成和遷移能力。吉西他濱是不可切除的局部晚期或轉(zhuǎn)移性胰腺癌的一線治療方案。Xu等人研究結(jié)果揭示NAT10高表達會增加胰腺癌細胞對吉西他濱治療的抗性。這項研究得出結(jié)論,NAT10通過介導mRNA中ac4C修飾形成,促進腫瘤細胞遷移和吉西他濱抗性?傊,NAT10下調(diào)抑制胰腺癌細胞的遷移和克隆形成能力,并減少其對吉西他濱的抗性,這可能是胰腺癌治療的潛在靶點。
Feng等人鑒定出一種新的長鏈非編碼RNA(lncRNA)LINC00623,并驗證其在胰腺癌患者的診斷價值。研究表明LINC00623 lncRNA在體內(nèi)外促進胰腺癌細胞的腫瘤發(fā)生性和遷移。從機制上講,LINC00623 lncRNA在腫瘤組織中上調(diào)并與NAT10結(jié)合,招募泛素特異性肽酶39(USP39)以抑制NAT10泛素化依賴性降解,從而促進mRNA中ac4C修飾形成,增強基因表達并導致腫瘤發(fā)生(圖5B)。研究團隊還揭示了抑制因子ASO-LINC00623可以抑制LINC00623 lncRNA表達,并顯著減少胰腺癌細胞的增殖和EMT,表明其作為胰腺癌治療的巨大潛力?偟膩碚f,這些數(shù)據(jù)表明LINC00623 lncRNA是胰腺癌的潛在治療靶點。
膀胱癌(Bladder cancer)
膀胱癌(BLCA)是泌尿系統(tǒng)中常見的惡性腫瘤。每年約有55萬新發(fā)病例,使其成為全球第12位最常見的惡性腫瘤。BLCA發(fā)病率每年都在增加,而且治療完全切除后的復發(fā)和晚期疾病仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。因此,迫切需要識別生物標志物和有效治療策略。
與健康組織相比,BLCA組織中的NAT10表達顯著較低。NAT10水平與腫瘤侵襲性呈正相關(guān),淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移患者的NAT10蛋白水平較高。NAT10表達水平較低的患者的整體生存率高于表達水平較高的患者,這表明NAT10表達可以預(yù)測BLCA預(yù)后?筃AT10及其基因敲除可以延緩BLCA進展,以NAT10為靶點可能是BLCA治療的新策略。此外,BLCA組織中NAT10高表達可能是預(yù)后不良的預(yù)測指標。
Wang等人發(fā)現(xiàn)NAT10在BLCA組織中高表達,并通過催化靶轉(zhuǎn)錄本中的ac4C修飾促進腫瘤增殖和遷移。研究小組使用全轉(zhuǎn)錄組acRIP-seq研究了NAT10定位和特定修飾中ac4C修飾的下游基因。鑒定出NAT10直接與3個富含ac4C的靶標相結(jié)合:BCL9樣蛋白(BCL9L)、SRY盒轉(zhuǎn)錄因子4(SOX4)和AKT1。在敲除NAT10后,這些靶標表達顯著降低,表明NAT10增強其表達。此外,NAT10通過乙;掠伟袠嗽隗w內(nèi)促進增殖和腫瘤形成。例如BCL9L與腫瘤侵襲性、遷移能力、細胞多形性和腫瘤進展呈正相關(guān)。BCL9L低表達患者生存時間顯著大于高表達患者,表明該基因可能作為BLCA預(yù)后指標。SOX4表達與腫瘤侵襲能力呈正相關(guān),SOX4高表達患者更有可能發(fā)生淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移。早期BLCA患者SOX4水平較低,晚期較高,表明SOX4高表達與較差預(yù)后密切相關(guān)。AKT1表達也與腫瘤侵襲和遷移有關(guān)。
食管癌(Esophageal cancer)
食管癌是一種高侵襲性的惡性腫瘤,每年導致40萬人死亡,是世界上第八大常見癌癥。患有這種疾病的患者死亡率高,預(yù)后差。最近的臨床試驗表明,晚期疾病患者可以從吉非替尼治療中受益,但其響應(yīng)率較低。研究食管癌發(fā)展和藥物抗性的分子機制,并制定有效的治療策略至關(guān)重要。
Yu等人使用一種分析核苷酸分辨率的ac4C位點的方法,來確定長鏈非編碼RNA(lncRNA)是否含有ac4C修飾。該團隊發(fā)現(xiàn)NAT10在CTC-490G23.2 lncRNA中催化ac4C形成,誘導原發(fā)性食管癌和轉(zhuǎn)移組織中的轉(zhuǎn)錄表達。還證明CTC-490G23.2 lncRNA與腫瘤細胞的侵襲和轉(zhuǎn)移有關(guān)。從機制上講,該轉(zhuǎn)錄本促進CD44 pre-mRNA與多嘧啶軌跡結(jié)合蛋白1(PTBP1)結(jié)合,將pre-mRNA剪接從常見的變體異構(gòu)體(CD44s-CD44v)轉(zhuǎn)變?yōu)槟[瘤相關(guān)變體異構(gòu)體。因此,腫瘤相關(guān)變體異構(gòu)體CD44v與肌動蛋白結(jié)合并增加其穩(wěn)定性,表明CTC-490G23.2 lncRNA過表達刺激了癌細胞中的上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)。由于CTC-490G23.2 lncRNA和CD44v mRNA的高表達與較差的預(yù)后相關(guān),這些轉(zhuǎn)錄本可能是食管癌的預(yù)后生物標志物。此外,反義寡核苷酸(ASOs)靶向CTC-490G23.2 lncRNA顯著抑制癌癥轉(zhuǎn)移。這些發(fā)現(xiàn)將加深對lncRNA ac4C修飾的理解,并為開發(fā)新的治療策略提供有效的治療策略。
Wei等人進行了多項研究以驗證NAT10參與食管癌的發(fā)生和發(fā)展。該團隊研究結(jié)果表明,NAT10在食管癌組織中過表達,并與疾病預(yù)后相關(guān)。此外,NAT10缺失會減少對最佳mRNA翻譯效率至關(guān)重要的ac4C修飾tRNA庫。研究進一步確定表皮生長因子受體(EGFR)蛋白是NAT10的下游靶標,促進其致癌功能。吉非替尼是一種EGFR抑制劑,可以提高晚期食管癌患者的存活率。然而由于藥物抗性,其作為二線治療的廣泛臨床應(yīng)用受到抑制。Wei等人發(fā)現(xiàn)NAT10促進食管癌細胞對吉非替尼治療的抗性。NAT10缺失和吉非替尼治療協(xié)同抑制癌細胞侵襲和遷移,表明這種方法可減緩吉非替尼抗性,并為開發(fā)有效的癌癥治療策略提供了新的見解。
肝細胞癌(Hepatocellular carcinoma)
肝細胞癌(HCC)是肝癌中占比最高的一種亞型,占原發(fā)性肝癌病例的90%。在中國,HCC患者的五年生存率僅為12%,這種疾病通常由多種風險因素引起,尤其是乙型肝炎病毒感染。HCC一線治療包括放療、化療、手術(shù)切除和肝移植。然而由于HCC具有復雜的病理機制、快速增殖、廣泛侵襲和轉(zhuǎn)移,患者從治療中獲益有限,并且容易復發(fā)和轉(zhuǎn)移,導致預(yù)后較差。因此,發(fā)現(xiàn)新的HCC生物標志物用于早期診斷,以及探索HCC發(fā)生和發(fā)展的分子機制,對于改善癌癥預(yù)后非常必要。
Liu等人建立了一個ac4C評分模型來研究ac4C mRNA修飾在HCC發(fā)展和進展中的作用。研究團隊鑒定了腫瘤和健康組織之間差異表達基因,并選擇了3個基因來構(gòu)建風險模型(ac4C評分):XV型膠原蛋白α1鏈(COL15A1)、葡萄糖-6-磷酸脫氫酶(G6PD)和腫瘤蛋白p53誘導蛋白3(TP53I3)。該模型將患者分為兩個具有不同預(yù)后的組。研究團隊使用生物信息學工具來確認ac4C評分與腫瘤干性或腫瘤微環(huán)境浸潤之間的關(guān)系,表明ac4C評分是預(yù)測HCC患者預(yù)后的一個合適生物標志物。
三陰性乳腺癌(TNBC)
乳腺癌是女性中最常見的惡性腫瘤,中國過去幾年的發(fā)病率顯著增加。三陰性乳腺癌(TNBC)為人類表皮生長因子受體2(HER2)、雌激素和孕激素受體均不表達(稱為三陰),這導致其高度惡性并加大其治療難度。TNBC患者壽命短、早期復發(fā)率高、預(yù)后差。TNBC不能從乳腺癌的內(nèi)分泌治療或抗HER2靶向治療中獲益。
Zhang等人收集了TNBC組織樣本,并根據(jù)NAT10表達對其進行分類,以了解ac4C修飾在TNBC進展中的作用,并幫助設(shè)計新的個性化治療計劃和預(yù)后評估。該研究團隊發(fā)現(xiàn)在NAT10高表達和低表達組之間有703個lncRNAs差異表達,其中20個lncRNAs與疾病預(yù)后相關(guān)。結(jié)果表明,NAT10通過ac4C修飾調(diào)節(jié)lncRNA表達,影響TNBC預(yù)后。最終,了解lncRNAs的機制將幫助預(yù)測TNBC細胞的藥物靶標和藥物敏感性。
易小結(jié)
NAT10蛋白是首個被證明能夠催化RNA乙;拿。盡管對NAT10的研究有限,但它揭示了這種酶在多種惡性腫瘤發(fā)展中的關(guān)鍵作用。NAT10通過在多種RNA物種中催化形成ac4C修飾(圖6),參與多種腫瘤進展,并且在多種癌癥中過表達。在結(jié)直腸癌細胞中,通過FSP1乙酰化修飾上調(diào)FSP1表達,抑制鐵死亡,但促進其轉(zhuǎn)移和增殖。在胰腺癌中,NAT10過表達通過激活PI3K-AKT通路促進惡性細胞增殖。新發(fā)現(xiàn)的LINC00623 lncRNA與NAT10結(jié)合,促進去泛素化酶USP39招募,并減少NAT10泛素化依賴性降解。LINC00623 lncRNA抑制劑(ASO-LINC00623)顯著減少腫瘤負荷。在膀胱癌(BLCA)中,NAT10過表達通過乙;揎桞CL9L、SOX4和AKT1,促進腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移。在胃癌(GC)中,NAT10過表達通過乙;险{(diào)MDM2和COL5A1 mRNA表達,促進胃癌發(fā)生和轉(zhuǎn)移。在食管癌中,NAT10過表達通過CTC-490G23.2 lncRNA乙;M一步上調(diào),促進腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移。在肝細胞癌(HCC)和三陰性乳腺癌(TNBC)中NAT10上調(diào),但其在這些癌癥中的詳細機制需要進一步研究。在宮頸癌中,NAT10過表達通過促進乙酰化誘導HNRNPUL1和DDR1 mRNA表達,增強腫瘤增殖、侵襲和轉(zhuǎn)移。此外,NAT10在其他未討論的惡性腫瘤中也有異常表達,如黑色素瘤、上皮性卵巢癌和非小細胞肺癌。然而,我們沒有討論它在這些癌癥中的生物學功能和作用,因為其未知性需要進一步探索。
圖6:本文所述癌癥及其相關(guān)ac4C修飾癌基因總結(jié)圖
ac4C修飾是一種新發(fā)現(xiàn)的RNA修飾,其研究尚不完整。到目前為止,只發(fā)現(xiàn)了一種writer蛋白。Eraser蛋白、reader蛋白和其他writer蛋白是否存在仍有待研究。NAT10催化RNA中ac4C修飾參與腫瘤發(fā)展的具體機制尚不清楚。其次,一些研究發(fā)現(xiàn)Remodelin在某些癌癥中具有抗癌活性,并可能作為癌癥治療的新靶點。脂肪酸代謝在脂質(zhì)積累中起著至關(guān)重要的作用,脂質(zhì)物質(zhì)對能量供應(yīng)和膜結(jié)構(gòu)完整性至關(guān)重要。先前的研究表明,NAT10可以介導脂肪酸代謝關(guān)鍵基因的ac4C修飾,調(diào)控基因表達,并影響脂質(zhì)形成。然而,沒有研究證明這種通路與癌癥進展之間的相關(guān)性,這可以作為進一步研究的方向。
參考文獻:
Zhang S, Liu Y, Ma X, Gao X, Ru Y, Hu X, Gu X. Recent advances in the potential role of RNA N4-acetylcytidine in cancer progression. Cell Commun Signal. 2024 Jan 17;22(1):49. pii: 10.1186/s12964-023-01417-5. doi: 10.1186/s12964-023-01417-5. PubMed PMID: 38233930.