急性髓系白血病（AML）是成人中最常見的白血病類型，約占所有急性白血病病例的70%。盡管治療策略有所改進，但AML通常進展迅速，大多數患者最終會對治療產生耐藥或復發。因此，需要更好地了解白血病發生的分子機制，以便確定新的治療靶點和開發改進的治療藥物。

(相關資料圖)

N6-甲基腺苷（m6A）是哺乳動物mRNA上豐度最高的修飾，廣泛參與了RNA的剪接、轉運、降解和翻譯等過程的調控。一些證據表明，m6A修飾機制的失調與多種類型的癌癥有關，包括AML。在人體內，m6A修飾主要由甲基轉移酶復合物催化完成，其中METTL3和METTL14為核心成員。METTL16是近期發現的一種m6A甲基轉移酶，但其在AML和正常造血中的作用還有待研究。

近日，美國希望之城貝克曼研究所鄧曉嵐、陳建軍和蘇瑞團隊與中國醫科大學藥學院魏敏杰團隊合作，發現METTL16對AML細胞的生存至關重要，其重要程度高于METTL3和METTL14。它通過重塑支鏈氨基酸（BCAA）的代謝來驅動白血病發生和白血病干細胞自我更新。這項研究成果于2023年1月5日發表在《Cell Stem Cell》雜志上。

研究材料與方法

在這項研究中，研究人員使用了原發性AML患者和健康對照的樣本，分離出白血病母細胞和單核細胞開展分析。使用Mettl16fl/fl小鼠（賽業生物提供構建）與Mx1-Cre小鼠雜交后產生的Mettl16條件性基因敲除（cKO）小鼠探究Mettl16與AML的關系。研究者采用了全基因組范圍的CRISPR篩選，并使用了基于慢病毒的shRNA系統。隨后通過m6A-seq和RNA-seq來尋找METTL16的靶點，并通過三重四級桿質譜分析來檢測m6A水平。

技術路線

01?對多個癌細胞系進行CRISPR基因敲除篩選，發現METTL16的重要性

02?敲除細胞和小鼠中的METTL16，以確定其對AML發生和進展的影響

03?分析METTL16對正常造血過程的影響

04?確定METTL16的作用靶點，以分析其在AML中的作用機制

研究結果

1?METTL16是AML進展和維持所必需的

目前，除了METTL3和METTL14外，大多數METTL蛋白在正常生理過程和發病機制中的作用仍不清楚。研究人員在分析800多個癌細胞系的全基因組CRISPR-Cas9基因敲除篩選數據后，發現白血病對METTL16的依賴性比其他癌癥類型更強，同時AML細胞系對METTL16的依賴性比非AML細胞系更強。讓研究者驚訝的是，在所有METTL成員中，對AML細胞的生存和增殖而言最重要的竟然是METTL16。此外，METTL16在人類AML樣本中異常過表達，無論是mRNA水平還是蛋白水平。

為了闡明METTL16在白血病發生中的作用，研究人員委托賽業生物構建了Mettl16fl/fl小鼠并與Mx1-Cre小鼠雜交，產生了Mettl16條件性基因敲除（cKO）小鼠。研究者發現，Mettl16的雜合子敲除顯著延遲了白血病的發生和進展，延長了生存期，而Mettl16的純合子敲除則表現出更明顯的抗白血病活性，完全抑制了白血病發生（圖1）。人源性腫瘤異種移植（PDX）模型上的分析結果進一步證實了這一點，表明METTL16在AML的發生、進展和維持中發揮關鍵的致癌作用。

2?METTL16對LSC/LIC的自我更新至關重要

同時，研究人員還發現，原發性AML患者樣本中的METTL16蛋白水平顯著高于健康對照，特別是在白血病干細胞（LSC）和白血病起始細胞（LIC）中，這意味著METTL16可能在LSC/LIC的自我更新中起作用。利用shRNA敲低Mettl16后，研究者觀察到人類原發性AML細胞的集落形成能力受到抑制，而小鼠上開展的分析也獲得了類似的結果，表明METTL16對于維持LSC/LIC的自我更新至關重要。

為了確定METTL16是否是AML治療時的潛在安全靶點，研究人員接下來分析了它在正常造血過程中的作用。研究者使用Mettl16 cKO小鼠模型，用poly（I:C）誘導了血液學特異性Mettl16敲除，發現純合子敲除導致外周血中的白細胞、淋巴瘤細胞和血小板適度降低，但對其他造血細胞影響不大。同時，基因敲除對人類和小鼠造血干/祖細胞（HSPC）的增殖和集落形成能力影響較小。研究者認為，與正常HSPC相比，LSC/LIC更依賴于METTL16的表達和功能。

3 METTL16對AML中的BCAA代謝進行重編程

那么，METTL16在AML中如何發揮致癌作用？研究人員首先通過突變體分析確定了METTL16的致癌作用完全取決于它在AML中的酶活。之后研究者又通過m6A-seq和RNA-seq來尋找METTL16的真正靶點。RNA-seq數據顯示，METTL16敲除明顯抑制了BCAT1、BCAT2、LARS1和IARS1的表達，RIP-qPCR數據也表明METTL16直接與AML細胞中的BCAT1、BCAT2、LARS1和IARS1轉錄本結合。

最近的研究表明，支鏈氨基酸（BCAA，包括亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸）的代謝與多種癌癥的侵襲性相關，包括白血病，而以上四個基因都在BCAA生物合成中發揮作用，其中BCAT1和BCAT2屬于支鏈氨基轉移酶，催化了氨基從支鏈氨基酸到α-酮戊二酸的轉移；LARS1是亮氨酰tRNA合成酶；IARS1是異亮氨酰tRNA合成酶。由此看來，METTL16在AML中的直接靶點是BCAA生物合成通路中的這四個關鍵基因。

考慮到BCAT1和BCAT2介導的BCAA分解代謝是大多數癌細胞中的主要反應，研究者將后續分析的重點放在這兩個基因上。研究者發現，METTL16能夠在體外直接使BCAT1和BCAT2 mRNA甲基化，而METTL16敲除顯著降低了BCAT1和BCAT2轉錄本的穩定性并下調了它們的表達。同時，YTHDC1直接與BCAT1和BCAT2 mRNA相互作用并提高其穩定性（圖2）。這些結果表明，METTL16在BCAT1和BCAT2轉錄本上形成m6A修飾，而YTHDC1識別這些m6A位點并提高這兩個mRNA靶點的穩定性。

此外，Mettl16基因被敲除后，AML細胞的耗氧率（OCR）顯著降低，而屬于三羧酸循環的代謝物水平也顯著降低，表明METTL16對BCAA的代謝進行了重編程。BCAT1和BCAT2的強制表達部分恢復了METTL16 KO誘導的AML細胞增殖缺陷和凋亡，且完全逆轉了METTL16 KO誘導的氧化能力抑制，表明METTL16表達對代謝的影響主要是由于BCAT1和BCAT2的失調。這些結果顯示，BCAT1和BCAT2是METTL16功能上的重要靶點，參與了METTL16在AML中的致癌作用。

研究結論

總的來說，這項研究描述了METTL16/m6A/BCAT1-2/BCAA軸在白血病發生中的作用，并強調了METTL16介導的m6A表觀轉錄組和BCAA代謝重編程在白血病發生和LSC/LIC維持中的重要作用。作者認為，開發METTL16的小分子抑制劑有重要的轉化/臨床意義，并在AML治療方面具有巨大潛力。

原文檢索：

[1]Han L, Dong L, Leung K, et al. METTL16 drives leukemogenesis and leukemia stem cell self-renewal by reprogramming BCAA metabolism. Cell Stem Cell. 2023 Jan 5;30(1):52-68.e13. https://doi.org/10.1016/j.stem.2022.12.006

關鍵詞：