急性髓系白血病（AML）是一种以骨髓中未成熟髓系细胞异常增殖为特征的恶性血液疾病，其发病机制复杂，既涉及染色体异常和基因突变等遗传因素，也与表观遗传因素密切相关。近年来，越来越多的研究表明，以RNA m6A甲基化为代表的RNA表观调控在多种亚型白血病的发生发展中发挥着重要作用。该研究团队先前的研究也发现，m6A甲基转移酶METTL14（Cell Stem Cell, 2018）及m6A识别蛋白IGF2BP2（详见BioArt报道：Cancer Cell | 翁桁游/陈建军/黄慧琳/魏敏杰合作揭示m⁶A阅读器IGF2BP2在急性髓系白血病中的分子机制）在AML中高表达，分别通过调控LSC的自我更新和谷氨酰胺代谢促进AML的发生和发展，且可以作为AML的潜在治疗靶点。因此，深入探究RNA表观修饰在AML中的功能和调控机制具有重要的科学意义和转化价值。然而，除了m6A修饰，是否还存在其他RNA修饰在AML中发挥重要作用仍函待研究。RNA乙酰化是指发生在胞嘧啶第四位氮原子上的乙酰基修饰，也称为N4-acetylcytidine（ac4C）。过去认为该修饰主要存在于rRNA或tRNA中，而最新研究发现人类细胞的mRNA上也存在广泛的ac4C修饰，主要通过调控mRNA的翻译效率影响基因表达【1】。多项证据表明，RNA乙酰化修饰在生理和疾病状态下，尤其是在肠癌、胃癌、食管癌等多种实体瘤中具有重要的生物学功能。这些研究提示RNA乙酰化在实体瘤中具有促进肿瘤进展和转移的功能，然而其是否在血液肿瘤中发挥促癌作用尚不清楚。2024年11月6日，中山大学肿瘤防治中心黄慧琳团队联合广州国家实验室翁桁游团队在Nature Cell Biology杂志在线发表了题为NAT10-mediated mRNA N4-acetylcytidine reprograms serine metabolism to drive leukaemogenesis and stemness in acute myeloid leukaemia的研究论文【2】。该研究揭示了N-乙酰基转移酶 10（N-acetyltransferase 10，NAT10）所介导的RNA乙酰化重塑丝氨酸代谢并驱动AML发生及干性维持的重要功能及分子机制，并深入探究了NAT10作为AML治疗靶点的可行性，为采用NAT10抑制剂干预AML疾病进展的临床应用提供了理论支持和实验依据。研究团队通过转录组、代谢组、乙酰化修饰表观组等多组学手段分析发现，NAT10介导的ac4C乙酰化修饰对丝氨酸代谢具有重要影响。机制上，研究人员发现NAT10一方面可以通过增强RNA翻译上调丝氨酸转运体蛋白SLC1A4的表达，促进外源丝氨酸的摄取；另一方面，NAT10可以增强AML中重要的转录因子HOXA9及H3K4me3识别因子MENIN（由MEN1编码）的表达，进而激活丝氨酸合成途径的三个关键代谢酶，即PHGDH、PSAT1和PSPH的转录，促进丝氨酸的内源合成，参与丝氨酸代谢重塑。进一步,研究人员鉴定出血液肿瘤化疗药物Fludarabine作为NAT10的新型抑制剂，靶向AML细胞的丝氨酸代谢脆性并发挥抗白血病效果（图1）。（图1 图片来源：Zhang et al., Nature Cell Biology, 2024）为了识别在AML中具有重要功能的RNA修饰，研究人员首先分析了癌症依赖图谱（Depmap）中的CRISPR筛选数据，发现其中约30%的RNA表观调控基因是AML细胞生长所必需的，富集比例显著高于其他基因。其中， NAT10的向导RNA（sgRNA）在负向筛选中发生显著降低，且其排名高于在AML中已被证实具有促癌作用的多个m6A调控蛋白（如METTL3、METTL14、WTAP和METTL16），提示RNA乙酰化及其催化酶NAT10可能在AML中发挥重要作用。研究团队通过小鼠初代骨髓移植模型证实了NAT10在AML发生中的重要功能。在MLL-AF9致癌融合基因转化的小鼠骨髓造血干祖细胞（HSPC）中，敲低或者敲除Nat10可以显著延长初代受体小鼠的生存并减少未成熟细胞在外周血、骨髓及肝脾中的浸润。此外，Nat10的缺失显著损害了MLL-AF9转化的HSPC的克隆形成能力并降低白血病干细胞/起始细胞（LSCs/LICs）频率，表明Nat10对维持白血病LSC/LIC自我更新具有至关重要的作用。在人AML细胞中进行RNA转录组测序及基因集富集分析显示，敲低NAT10后，下调的基因显著富集于氨基酸代谢，尤其是丝氨酸代谢通路。代谢组学分析也显示，NAT10敲低降低了丝氨酸及其下游代谢物（如谷胱甘肽和核苷）的水平，并减少了来自U-13C-葡萄糖的13C在丝氨酸及其下游代谢物中的掺入。荧光定量分析则显示，敲低NAT10显著降低了在完全培养基和缺乏丝氨酸/甘氨酸培养基中细胞内丝氨酸总水平，并显著抑制了细胞从完全培养基中消耗丝氨酸的能力。以上结果共同表明，敲低NAT10抑制了丝氨酸的外源摄取和生物合成，提示NAT10重塑了AML细胞的丝氨酸代谢。研究团队通过LC-MS/MS、dot blot等技术手段，结合对RNA不同组分进行分离检测，以及外源表达酶活突变型、RNA结合区截短型NAT10等策略，明确了NAT10的致癌功能主要依赖于其对mRNA进行的ac4C修饰写入。进一步，研究团队开发出了改良版的RNA乙酰化建库测序技术，极大降低了RNA的投入量及假阳性比率。借助该技术手段，研究团队对AML细胞中的ac4C修饰谱进行了描绘，发现NAT10敲低后丝氨酸转运体蛋白SLC1A4 mRNA上的ac4C峰出现显著下降。此外，低乙酰化的基因主要富集在与转录调控和造血分化相关的通路上，包括在AML中至关重要的转录因子HOXA9和组蛋白/DNA修饰调节因子MENIN。研究团队进一步通过acRIP-qPCR、NAT10-RIP-qPCR、RNA稳定性、核糖体图谱等实验，明确了NAT10介导的RNA乙酰化修饰增强了靶基因SLC1A4、HOXA9及MENIN mRNA的翻译，上调其蛋白表达。SLC1A4的高表达促进了细胞对外源丝氨酸的摄取，而高表达的HOXA9和MENIN上调了PHGDH、PSAT1和PSPH的转录，促进细胞内源的丝氨酸合成。功能回补实验证实，在NAT10敲低或敲除的细胞中过表达SLC1A4、HOXA9或MENIN，可以挽救由于NAT10缺失所引起的细胞生长及集落形成能力的缺陷，提示SLC1A4、HOXA9及MENIN是NAT10的重要功能靶标。通过对AML患者NAT10表达水平进行分析，研究人员发现AML原发性骨髓单核细胞（BM-MNCs）中NAT10水平显著高于健康对照组和骨髓增生异常综合症（MDS）患者。此外，NAT10在t(11q23)/MLL重排（MLLr）、FLT3-ITD突变等复发难治型AML中的表达显著高于其他亚型。在携带MLLr或FLT3-ITD的患者原代或PDX细胞中敲低NAT10均可显著抑制细胞增殖，提示NAT10是复发难治型AML的重要治疗靶点。为了系统性地探究干预NAT10对AML治疗的疗效，研究人员基于2021年Dalhat等人针对NAT10乙酰基转移酶活性口袋区进行的结构预测和分子对接结果【3】进行了一系列的药物筛选和机制研究，最终鉴定Fludarabine为NAT10的抑制剂。进一步通过体外及体内实验证实了Fludarabine及经典的NAT10抑制剂Remodelin可以通过抑制NAT10的RNA乙酰基转移酶活性及靶基因SLC1A4、HOXA9/MENIN的表达，靶向AML细胞的丝氨酸代谢脆性。该研究系统性地揭示了ac4C和NAT10在代谢调控和驱动白血病发生发展中的重要功能，为AML的临床治疗提供了新的靶点及治疗策略。中山大学肿瘤防治中心黄慧琳研究员和广州国家实验室翁桁游研究员（广州医科大学特聘教授）为该论文的共同通讯作者，中山大学肿瘤防治中心博士后张速博和博士生龙逸飞、广州国家实验室副研究员黄凤和博士后王玉帅为该论文的共同第一作者。美国希望之城陈建军教授、中山大学肿瘤防治中心梁洋、王韵、黄蓬教授、广州国家实验室陈红明研究员及福建医科大学附属协和医院潘莉莉主治医师等对本研究提供了宝贵的建议和帮助。
黄慧琳教授课题组隶属于中山大学肿瘤防治中心、华南恶性肿瘤防治全国重点实验室，主要聚焦于m6A甲基化和ac4C乙酰化等RNA修饰在肿瘤中的调控机制和干预。研究方向如下：（1）在白血病和实体瘤中采用表观转录组测序系统挖掘RNA修饰相关的生物标志物；（2）鉴定新型的RNA修饰调控蛋白，并阐明其在肿瘤代谢、干性维持和免疫逃逸等方面的生物学功能；（3）以RNA修饰相关蛋白为靶点开发小分子抑制剂和抗肿瘤疗法。课题组现招聘生物信息学和生物医学博士后各一名。课题组经费充足，待遇优厚，诚邀有志于原创性生物医学科学研究的青年才俊加入！联系邮箱：黄慧琳 [email protected]。https://www.nature.com/articles/s41556-024-01548-y[1] ARANGO D, STURGILL D, ALHUSAINI N, et al. Acetylation of Cytidine in mRNA Promotes Translation Efficiency [J]. Cell, 2018, 175(7): 1872-86 e24.
[2] ZHANG S, HUANG F, WANG Y, et al. NAT10-mediated mRNA N4-acetylcytidine reprograms serine metabolism to drive leukaemogenesis and stemness in acute myeloid leukaemia [J]. Nature Cell Biology, 2024.
[3] DALHAT M H, ALTAYB H N, KHAN M I, et al. Structural insights of human N-acetyltransferase 10 and identification of its potential novel inhibitors [J]. Sci Rep, 2021, 11(1): 6051.
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