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特發性肺纖維化(IPF)是一種慢性、致命的肺部疾病,以肺實質中進行性和不可逆的異常基質沉積為特征。肌成纖維細胞主要來源于通過成纖維細胞向肌成纖維細胞轉化(FMT)的固有成纖維細胞,是肺纖維化中主要的膠原生成細胞。N6-甲基腺苷(m6A)修飾涉及多種生物過程。然而,m6A修飾在肺纖維化中的作用在很大程度上仍然未知。

近日,上海市第一人民醫院王瑞蘭教授課題組在Molecular Therapy(最新IF11.454)期刊上發表了題為m6A modification regulates lung fibroblast-to-myofibroblast transition through modulating KCNH6 mRNA translation的研究論文,強調了m6A修飾在肺纖維化中的關鍵作用。并揭示了m6A調節FMT的作用機制。暗示通過靶向METTL3操縱m6A修飾可能成為治療肺纖維化的一種十分有前景的策略。

 

主要研究結果

 

1. 纖維化過程中m6A修飾增加
為了探索m6A修飾在肺纖維化中的功能作用,研究人員對人IPF肺樣本和博萊霉素(BLM)處理的小鼠肺中提取的RNA進行了m6A水平的量化,發現人和小鼠纖維化肺中的總RNA和mRNA的m6A水平顯著增加。此外,FMT衍生的肌成纖維細胞作為肺纖維化的主要基質分泌細胞,其總RNA和mRNA的m6A水平也顯著高于對照組。表明m6A修飾在纖維化過程中上調。

 

 

除此之外,研究人員還發現已知m6A “writer” METTL3的表達模式在人類IPF肺樣本中顯著上調,且與Masson陽性區域呈正相關。而另外兩個已知m6A “eraser” ALKBH5和FTO的表達則沒有明顯差異。表明METTL3可能是導致肺纖維化中RNA m6A修飾升高的原因。

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2. 肺纖維化過程中m6A介導的基因變化
為了研究m6A修飾在特定基因表達中的變化,研究人員通過MeRIP-seq對正常和IPF肺樣本的m6A位點進行了定位。結果顯示GGAC是正常和IPF肺樣本中的主要共同基序,m6A峰在編碼序列(CDS)中豐富,特別是在終止密碼子附近。此外,與對照組相比,IPF肺樣本的整體m6A修飾增加。正常和IPF肺樣本中m6A的分布模式相似,m6A峰主要富集在內含子和外顯子區域。

 

 

 

 

接下來,研究人員比較了正常和IPF肺樣本中19134個m6A峰的豐度。鑒定出111個超甲基化m6A峰,其mRNA轉錄本顯著上調(111個,超上調);100個低甲基化m6A峰,其mRNA轉錄本顯著上調(44個,超上調)或下調(56個,超下調)。此外,還確定了275個超甲基化m6A峰(275/386,71.2%),其mRNA轉錄本沒有明顯變化。這些超甲基化m6A轉錄本的GO分析表明,少數基因與轉錄、細胞粘附、GTPase活性、凋亡過程和鐵跨膜轉運相關。

 

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3. m6A修飾在體外調節FMT和成纖維細胞增殖
由于TGF-β1誘導的FMT過程伴隨著m6A修飾的增加,因此研究人員隨后研究了FMT過程中m6A修飾的必要性。首先,通過METTL3沉默實驗證實了METTL3是WI-38細胞中m6A修飾的關鍵調節因子,并且METTL3沉默導致的低m6A水平可在體外抑制FMT(TGF-β1誘導的α-SMA和Col-1表達顯著被抑制)和成纖維細胞增殖。隨后的功能獲得性實驗顯示METTL3過表達引起的m6A水平升高顯著上調α-SMA和Col-1的表達,并增加WI-38細胞的增殖。表明m6A修飾在體外調節FMT和成纖維細胞增殖。

 

 

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4. 通過MELLT3沉默降低m6A水平可抑制肺纖維化并改善體內FMT
基于METTL3在體外FMT中的調節作用,研究人員接下來探索了METTL3在體內的作用。發現沉默METTL3減少了BLM誘導的肺纖維化小鼠模型中的膠原沉積。同樣地,α-SMA和Col-1表達在METTL3敲低小鼠中顯著減弱。表明METTL3沉默改善了BLM誘導的肺纖維化和ECM沉積。此外,METTL3敲低減輕了結蛋白陽性成纖維細胞獲得的肌成纖維細胞標志物(α-SMA)??傊?,降低m6A水平會抑制體內FMT。

 

 

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5. KCNH6在體外參與m6A調控的FMT過程
接著,研究人員探索了m6A調節的FMT過程中涉及的潛在靶點。發現KCNH6是最顯著升高的超甲基化m6A轉錄本。使用m6A抗體對人IPF肺樣本中提取的RNA進行RIP實驗,發現KCNH6在包含免疫沉淀物的m6A抗體中富集。在TGF-β1處理的WI-38細胞提取的RNA中觀察到一致的結果,并且發現TGF-β1處理對KCNH6 mRNA表達幾乎沒有影響,但增加了KCNH6蛋白水平。而METTL3沉默可抑制TGF-β誘導的KCNH6蛋白表達,但不影響KCNH6 mRNA的表達。

 

 

 

眾所周知,KCNH6在人和小鼠的胰島素分泌和葡萄糖穩態中起關鍵作用。隨后研究人員探索了其在FMT過程中的作用。發現KCNH6沉默減弱了TGF-β1誘導的α-SMA和Col-1的表達。為了進一步證實KCNH6 mRNA是m6A修飾的直接靶點,研究人員在KCNH6 mRNA的CDS中發現3個GGAC基序,在3′ UTR中發現1個GGAC基序,然后構建野生型(pcDNA-KCNH6-WT)和突變型(pcDNA-KCNH6-mut)過表達載體。發現在過表達pcDNA-KCNH6-mut的METTL3沉默細胞中,KCNH6蛋白水平得到部分挽救。此外,過表達pcDNA-KCNH6-mut可以部分恢復由METTL3敲低誘導的α-SMA表達的減少。表明KCNH6參與了m6A調節的FMT過程。

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6. m6A修飾以YTHDF1依賴性方式增強KCNH6的翻譯
最后,研究人員探索了m6A修飾調控KCNH6表達的機制。鑒于KCNH6 mRNA水平保持不變,但KCNH6蛋白在TGF-β1處理的WI-38細胞中增加,研究人員假設KCNH6轉錄本被YTH家族(充當m6A “reader”并促進其修飾轉錄本的翻譯)識別。RIP實驗顯示YTHDF1顯著富集KCNH6 mRNA,這表明YTHDF1和KCNH6 mRNA之間的相互作用。YTHDF1沉默或過表達降低或增加了TGF-β1誘導的KCNH6表達。此外,YTHDF1過表達部分恢復了METTL3敲低WI-38 細胞中KCNH6水平的降低。多核糖體分析表明降低m6A修飾抑制了KCNH6 mRNA的翻譯??傊@些結果表明m6A修飾通過YTHDF1依賴性方式調節KCNH6翻譯,從而調節其表達。

 

 

 

 

據悉,上海市第一人民醫院危重病醫學科張嘉祥博士黃培杰醫師,無錫市人民醫院重癥醫學科李大鵬醫師是該論文共同第一作者。上海市第一人民醫院危重病醫學科謝暉教授王瑞蘭教授為該論文共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金(NO. 82070058, 81870053)和上海市楊帆計劃的基金支持。

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王瑞蘭教授

上海市第一人民醫院急診危重病科科室主任,國務院津貼獲得專家,上海市領軍人才,上海市先進工作者。課題組主要從事急性肺損傷/肺纖維化、膿毒癥的臨床與基礎研究。

 

 

原文鏈接:https://www.cell.com/molecular-therapy-family/molecular-therapy/fulltext/S1525-0016(21)00314-2

 

 

 

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