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核糖體是生命體內提供蛋白合成的巨大機器，它由多種核糖體蛋白與核糖體RNA組成，是實現遺傳物質表達的重要場所。蛋白翻譯是一個高度精細的調控過程，在這個過程中多種rRNA修飾參與其中，無論是細菌、酵母還是多細胞生物，均有研究證明核糖體RNA修飾對生物體的翻譯和生長有影響。隨著近年來高解析度核糖體結構的解析，人們發現了更多的多細胞生物特有的rRNA修飾位點，這些修飾的調控酶以及對翻譯的影響尚未可知，特異存在於多細胞生物中的功能和意義需要更多研究來闡釋。
哺乳動物的核糖體RNA上存在兩個m6A修飾位點，分別位於大亞基28S A4220位和小亞基18S A1832位。此前人們對mRNA上的m6A修飾研究較多，發現了催化mRNA上m6A修飾的調控酶與識別子，揭示了m6A修飾對於mRNA代謝活動中的重要性，並研究其在胚胎發育、腫瘤、生殖等多種生物學過程中的作用和意義。但是對核糖體RNA上的m6A修飾的調控，直到近兩年才有文章報導。
2020年12月22日，復旦大學生物醫學研究藍斐課題組與中科院遺傳發育所田燁課題組以及同濟大學馬紅輝合作在Cell Reports上報導了題為 Ribosome 18S m6A Methyltransferase METTL5 Promotes Translation Initiation and Breast Cancer Cell Growth 的文章，研究了18S rRNA m6A1832的甲基轉移酶METTL5的底物序列特異性，證明了METTL5能夠調控核糖體翻譯，促進乳腺癌腫瘤細胞生長，在線蟲中調控壓力應激、壽命以及內質網未摺疊蛋白應激反應。
研究團隊通過體外酶活實驗，明確了METTL5對18S rRNA A1832位點具有特異性催化，而對已知的METTL3/METTL14複合物偏好的RNA底物沒有催化活性。在HEK293T細胞內敲除METTL5，質譜檢測同樣發現18S rRNA的m6A含量幾乎消失，而在mRNA (polyA+) 以及28S rRNA中，m6A含量未見明顯變化。
已知18S A1832位點位於核糖體的編譯中心 (Decoding Center)，為了解釋m6A1832修飾在哺乳動物中存在的特殊意義，研究人員尋找了哺乳動物以及酵母和細菌的高解析度核糖體電鏡結構（酵母和細菌二者相對應的A位點不發生m6A修飾，可作為較好的參照）。比對酵母和細菌的編譯中心，含有m6A修飾的人A1832距離mRNA密碼子骨架的+2位磷酸根更近，很可能是由於N6位的一個氫離子被甲基取代後，導致的18S rRNA內部配對強度改變而造成。而這一空間構像的差異，也很可能影響了核糖體的翻譯活性。針對這一假想，研究者通過polysome profiling、AHA-Click、雙螢光素酶報告系統等實驗，證明了在METTL5缺失的細胞整體翻譯水平下降。生化試驗進一步證實翻譯起始因子與成熟核糖體結合減弱，與翻譯起始相關的p70-S6K磷酸化水平降低，細胞內整體翻譯效率降低。
前期研究證實核糖體翻譯和細胞生長狀態密切相關，尤其是腫瘤細胞需要大量蛋白合成滿足生長增殖的需求，那麼METTL5對於腫瘤生長是否有促進作用？在TCGA分析中，METTL5在多種腫瘤中存在拷貝數增加現象，研究團隊選取了乳腺癌進行研究，在多組臨床樣本中，METTL5表達量在腫瘤組織高於癌旁組織。通過特異性RNAi敲低多種乳腺癌細胞系中的METTL5，可見p70-S6K磷酸化水平降低，同時細胞生長受抑制，在多種乳腺癌細胞系中敲低METTL5細胞凋亡明顯增加。
為了在生物體水平上研究METTL5蛋白的功能，研究團隊在線蟲中敲除metl-5（線蟲中的同源基因），發現METL-5同樣特異性調控線蟲體內18S rRNA m6A1717修飾。研究者詫異的發現METL-5缺失似乎並未給線蟲造成什麼負面影響，而是突變體線蟲壽命延長、耐熱性提高，並伴隨內質網應激反應（ER-UPR）的提高。而這些表型與已知的線蟲中核糖體功能受損表型較為一致，暗示METL-5在線蟲中發揮保守的功能，調控了核糖體翻譯功能。
關於METTL5作為18S rRNA m6A甲基轉移酶的研究，2020年已有多篇文章獨立報導其酶活性，並在多種生物學系統中研究（比如mESC分化、小鼠胚胎發育、線蟲耐受、果蠅行為等方面【1-6】），相比於其他文章，本論文著重研究了METTL5的底物序列特異性和對於腫瘤細胞生長的影響。值得一提的是，其它同期文章中均未發現METTL5對於細胞生長的影響，但本研究卻報導了腫瘤細胞生長表型，而它能否成為治療腫瘤的靶點目前還在進一步研究中。而線蟲研究的結果也很有意思，雖然生命本身離不開蛋白翻譯，但一定程度上幹擾翻譯活性，很可能獲得有益的性狀。
據悉，復旦大學生物醫學研究院榮博文和中科院遺傳與發育生物學研究所張茜為共同第一作者。復旦大學藍斐研究員、中科院遺傳與發育生物學研究所田燁研究員和同濟大學醫學院馬紅輝研究員作為共同通訊作者。
原文連結：
https://doi.org/10.1016/j.celrep.2020.108544
參考文獻：
1. van Tran, N. et al. The human 18S rRNA m6A methyltransferase METTL5 is stabilized by TRMT112. Nucleic Acids Res 47, 7719-7733, doi:10.1093/nar/gkz619 (2019).
2. Chen, H. et al. METTL5, an 18S rRNA-specific m6A methyltransferase, modulates expression of stress response genes. 2020.2004.2027.064162, doi:10.1101/2020.04.27.064162 %J bioRxiv (2020).
3. Ignatova, V. V. et al. The rRNA m(6)A methyltransferase METTL5 is involved in pluripotency and developmental programs. Genes Dev, doi:10.1101/gad.333369.119 (2020).
4. Leismann, J. et al. The 18S ribosomal RNA m(6) A methyltransferase Mettl5 is required for normal walking behavior in Drosophila. EMBO Rep 21, e49443, doi:10.15252/embr.201949443 (2020).
5. Liberman, N. et al. N6-adenosine methylation of ribosomal RNA affects lipid oxidation and stress resistance. Sci Adv 6, eaaz4370, doi:10.1126/sciadv.aaz4370 (2020).
6. Xing, M. et al. The 18S rRNA m(6) A methyltransferase METTL5 promotes mouse embryonic stem cell differentiation. EMBO Rep, e49863, doi:10.15252/embr.201949863 (2020).
來源：BioArt
1980-2020
原標題：《【學術前沿】藍斐團隊報導METTL5調控核糖體翻譯並促進腫瘤生長》
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