【课题套路】m6A去甲基化酶研究的课题设计思路

PD-1单抗药物在最近几年的肿瘤治疗中渐渐崭露头角,默沙东、BMS、罗氏等多家公司研发的PD-1抗体相继上市,为许多晚期癌症患者带来生机。
与化疗药物和靶向药物相比,PD-1抗体不受限于肿瘤类型,更特异地结合肿瘤细胞,治疗效果好,副作用小。然而,PD-1抗体药物同样面临耐药性的问题,严重影响治疗效果。因此,解析肿瘤的耐药机制,尽快找到新的治疗手段是当务之急。
2019年发表于《Nature Communications》的一篇研究论文就结合了当下的研究热点——mRNA的m6A甲基化,阐述黑色素瘤的肿瘤发生和对PD-1抗体耐药反应的分子机制。
一、立项依据
黑色素瘤是美国致死率最高、耐药性最强的肿瘤之一。BRAF是目前发现的黑色素瘤主要突变基因,针对BRAF突变的靶向药物使部分黑色素瘤患者获得有效治疗,但大部分黑色素瘤患者的治疗效果不佳。近年来逐渐推广的PD-1抗体免疫治疗给黑色素瘤患者,尤其是晚期患者带来了一丝曙光,然而黑色素瘤的强耐药性又成为了治疗中遇到的新问题。
尽管已有针对黑色素瘤耐药性机制展开的研究,我们对黑色素瘤抗PD-1抗体的具体分子机制仍知之甚少。因此,解析黑色素瘤对PD-1抗体的耐药机制有助于改进现有的治疗手段,提高患者生存率,具有重要的临床意义。
m6A甲基化是目前在真核细胞中发现的mRNA和非编码RNA最重要的化学修饰,在多种细胞过程,尤其是肿瘤发展中具有重要作用。m6A甲基化过程有3种甲基化酶参与:甲基化转移酶(Writer)、去甲基化酶(Eraser)和甲基化阅读蛋白(Reader)
近期研究发现,m6A去甲基化酶FTO是白血病和胶质母细胞瘤的致癌基因,也有报道称FTO与黑色素瘤患病风险上升密切相关,但FTO对黑色素瘤发生发展的具体作用机制还未见报道。
为了探究FTO在黑色素瘤发展进程以及PD-1耐药性中扮演的角色和调控的具体分子机制,作者进行了以下预实验(研究基础):
 
1. FTO与黑色素瘤相关性验证:
(1)检测FTO在不同发展阶段、不同细胞系黑色素瘤中的表达量,发现FTO在不同时期、不同细胞系的黑色素瘤中均显著高表达,在晚期黑色素瘤中表达量最高(这里选择不同黑色素瘤细胞系检测FTO是为之后的体外细胞实验作筛选和准备,最终挑选了高表达FTO的人源细胞系Mel624和鼠源细胞系B16F10,以及和对照表达量相近的人源细胞系CHL-1)
(2)在黑色素瘤细胞中过表达上游甲基转移酶METTL3/14,细胞整体甲基化水平上升,细胞增殖、迁移和侵袭能力显著下降,说明黑色素瘤的发展与m6A甲基化密切相关。(甲基转移酶的作用与去甲基化酶相反,因此过表达METTL3/14应与FTO敲减后表型一致)
 
2. FTO靶基因预测:
(1)对FTO敲减细胞进行候选基因法、基因芯片、m6A seq、RNA seq综合分析,选出候选基因,包括PDCD1(PD-1),CXCR4,SOX10等。(此处的芯片和RNA seq结果中并没有检测到PD-1的表达,作者解释说可能是实验方法的限制,可见往往是确定目标范围之后再去组学数据中对应查找,而不是漫无目的大海捞针) 
(2) m6A-ChIP检测FTO敲减细胞中候选基因m6A水平,发现PDCD1、CXCR4、SOX10、CTSV、NOP16都显著高表达。(m6A-ChIP与ChIP类似,区别在于使用的抗体为m6A抗体,RT-qPCR检测目标基因富集量)
3. 寻找Reader蛋白:
在黑色素瘤细胞中敲减YTHDF1-3,仅在敲减YTHDF2时PDCD1、CXCR4和SOX10的表达量升高;敲减/过表达YTHDF2,细胞增殖和迁移能力增强/减弱。因此确定FTO下游的Reader蛋白是YTHDF2(YTHDF2促进mRNA降解,而YTHDF1/3维持mRNA稳定性,这一趋势与FTO和靶基因的关系一定要理清)
 
基于以上研究基础,作者提出科学假说:黑色素瘤细胞中FTO高表达,降低靶基因PD-1、CXCR4、SOX10 mRNA的m6A水平,从而减少YTHDF2介导的mRNA降解,靶基因表达量升高,促进肿瘤增殖转移(具体见科学假说图)。(由于FTO上游的NF-κB和PD-1抗体响应在文中没有预实验筛选过程,因此暂时不列入假说)
科学假说图
 
二、研究内容
1. 体外细胞实验验证
METTL3/14/FTO/YTHDF2/PD-1信号轴促进黑色素瘤增殖转移以及FTO介导的耐药性机制
(1) 在高表达FTO的细胞系中敲减FTO,细胞增殖、迁移和侵袭能力降低;在表达量与正常细胞近似的细胞系中过表达FTO,细胞增殖、迁移和侵袭能力均显著升高。
 
(2) FTO敲减细胞中m6A水平显著升高。(此处用到m6A斑点杂交实验)
 
(3) 功能回复实验:在FTO敲减细胞中继续转染:
①METTL3/14敲减载体:细胞增殖转移能力部分回复,高于FTO敲减组,但低于METTL3/14敲减组;FTO靶基因PDCD1、CXCR4、SOX10表达量与FTO敲减组相比升高。
 
②PD-1/CXCR4/SOX10表达载体,细胞增殖迁移能力回复,显著高于FTO敲减组。
③YTHDF2敲减载体,PDCD1、CXCR4、SOX10 mRNA的稳定性回复,高于FTO敲减组。
(4) FTO上游调控机制探索:
敲减自噬相关基因,FTO、PDCD1、NF-κB在饥饿条件下表达量显著提高;饥饿条件下敲减NF-κB,FTO、PDCD1表达量显著低于对照组。(说明FTO仅在代谢压力,即类似肿瘤细胞的生长环境下,由NF-κB通路启动上调表达)
 
(5) FTO对PD-1抗体免疫治疗抵抗的机制:
敲减/过表达FTO提高/降低IFNγ诱导的细胞死亡;在敲减FTO的细胞中过表达PD-1、CXCR4、SOX10能够抑制IFNγ诱导的细胞死亡。(表明FTO及靶基因参与抑制IFNγ诱导的细胞死亡通路)
 
2. 体内动物实验验证FTO提高黑色素瘤增殖转移能力和耐药性
(1) FTO敲减/过表达细胞皮下种植裸鼠,证实FTO能促进肿瘤增殖。
 
(2) 在黑色素瘤细胞中敲减/过表达YTHDF2,肿瘤生长速度变快/变慢。
(3) 敲减FTO小鼠使用PD-1抗体后肿瘤显著缩小,加入IFNγ抗体后,表型部分回复,但shFTO仍有显著缩小肿瘤效果,说明抑制FTO能有效降低黑色素瘤细胞对PD-1抗体的耐药性。
 
3. 技术路线 
 
三、总结     
本文围绕促癌基因mRNA的m6A调控,以FTO为研究对象,PD-1为明星分子,展开两条线:第一,通过验证FTO对靶基因mRNA的去甲基化作用,结合甲基化转移酶METTL3/14,甲基化阅读蛋白YTHDF2,阐述FTO在黑色素瘤细胞中高表达,促进黑色素瘤发展的机制;第二,为了探究黑色素瘤细胞对PD-1抗体的耐药性,将FTO与免疫细胞相联系,并最终发现IFN-γ诱导的细胞死亡与FTO的拮抗关系,从而从免疫角度阐明黑色素瘤细胞抗PD-1抗体的可能机制之一。
读完全文你会发现,作者并没有详细阐述所选基因(如m6A甲基转移酶、m6A阅读蛋白、IFNγ)的筛选过程,其背后可能有大量的前期研究基础和未发表的预实验作为支撑。全文逻辑清晰, 实验设计合理,工作量大,所用到的主要关键技术是m6A相关的一系列检测,实验技术较为常规,值得我们做课题设计的时候借鉴。
不足之处是文中大部分是体外细胞实验,缺乏分子之间互作的实验证据;FTO抑制IFNγ介导的细胞死亡过程从而产生耐药性的部分数据量偏少,并没有提出较为完整的机制,有待日后更多的工作来确证。     
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