Cell丨FTO第二磅！重审IDH突变在白血病中的作用
2017年即将过去，如果要评选本年度最热研究领域，RNA的m6A修饰一定榜上有名，BioArt在2017年报道了差不多十篇相关的研究论文了。而去甲基化酶FTO的研究是最有争议的。
2011年10月，芝加哥大学的何川教授在Nature Chemical Biology上发表论文“N6-Methyladenosine in nuclear RNA is a major substrate of the obesity-associated FTO”，首次证明FTO是m6A的去甲基化酶，结合1997年鉴定m6A甲基化酶METTL3的结果【1】，m6A作为mRNA上最丰富的可逆修饰受到了关注，开启了m6A研究热潮的序幕。
以这篇文章为基础，2016年12月，何川教授与陈建军教授合作，在Cancer cell上发表研究成果“FTO Plays an Oncogenic Role in Acute Myeloid Leukemia as a N6-Methyladenosine RNA Demethylase”（陈建军、何川组Cancer Cell报道肥胖基因FTO过表达导致白血病），该研究第一次阐明了m6A在急性髓系白血病中的作用，并建立了系统的m6A与癌症研究方法和体系，具有重要的意义。一时间，m6A在不同肿瘤中的作用成为新的研究方向。
然而，2017年1月，Samie R. Jaffrey等人在Nature上发表研究“Reversible methylation of m6Am in the 5′ cap controls mRNA stability”，直指FTO不是m6A去甲基化酶，而是与其具有非常相似结构的m6Am的去甲基化酶（真的搞错了吗？RNA去甲基化酶FTO的作用底物解读丨特别推荐）。有趣的是，虽然只是一个甲基的区别，m6A和m6Am对mRNA的作用却完全不同：前者促进mRNA降解，而后者却能提高mRNA的稳定性。
同年5月，Cancer cell刊登来自德克萨斯大学健康科学中心Ricardo C.T.Aguiar的研究“IDH Mutation, Competitive Inhibition of FTO, and RNA Methylation”，该研究发现当IDH基因突变时，其催化产物可以竞争性抑制FTO的活性，使FTO不能发挥m6A去甲基化酶的功能（【争鸣】重审FTO在白血病中的癌基因作用）。
一时间，无论是FTO作为m6A去甲基化酶的身份，还是其在白血病中的作用，都变得扑朔迷离。
12月14日，Cell 在线了一篇文章“R-2HG Exhibits Anti-tumor Activity by Targeting FTO/m6A/MYC/CEBPA Signaling”，这是何川教授与陈建军教授合作的第2篇关于FTO在白血病中的作用研究（浙江大学附属第一医院的Jie Jin为该文的共同通讯作者），这项工作非常漂亮的回答了两个问题：
1.在IDH基因突变的情况下，FTO真的没有功能吗？
2.FTO在白血病中的功能是m6A介导的，还是m6Am介导的？
论文解读：
撰文丨黄蔚 （中山大学）
基因IDH1和IDH2编码代谢酶，可以催化异柠檬酸的氧化脱羧反应，生成α-酮戊二酸（α-KG）。而α-KG是许多Fe(II)/a-KG依赖的双加氧酶的底物，包括DNA羟化酶（TET家族蛋白）（Cell未远，Nature又至：维生素C抗癌记丨深度关注），组蛋白去甲基化酶（Jumonji家族）和RNA的m6A去甲基化酶（FTO等）。当IDH突变时，其催化产物从α-KG变成了R-2HG，两者具有相似的结构，但R-2HG却能抑制Fe(II)/a-KG依赖双加氧酶的活性【2】（下图）。
因为IDH突变导致分化受阻和促进细胞癌变，而R-2HG的抑制剂可以逆转这一过程，因此长期以来，R-2HG被认为是促癌代谢物。2013年Science发表Kaelin WG Jr.等人的研究“(R)-2-hydroxyglutarate is sufficient to promote leukemogenesis and its effects are reversible”，几乎给R-2HG的在白血病中的促癌功能下了实锤。
意外的是，临床研究表明，具有IDH突变的神经胶质瘤病人的生存期比IDH野生型的病人更长，并且，在急性髓系白血病人中观察到类似的现象。那么，IDH突变的产物R-2HG在白血病中究竟是发挥了什么作用呢？
研究者用R-2HG处理了27个白血病细胞系（均不含IDH突变），发现R-2HG对细胞增殖和活力的抑制呈现时间和浓度依赖的趋势（图1）.
图1 体外实验证明R-2HG抑制细胞增殖
颜色表示不同的处理，直径表示细胞的相对活力。可以看出，R-2HG可以抑制细胞的增殖，但是不同细胞的敏感性不同。以上是体外实验，那么在体内又是什么情况呢？研究者通过给荷瘤小鼠注射R-2HG以及利用转基因的方法导入可诱导表达的IDH1突变基因，发现对于注射R-2HG敏感细胞系的小数，两者均能显著延长它们生存期。（图2）
图2 体内实验证明R-2HG延长小鼠生存期
对于前文我们提到的Science关于R-2HG促进白血病的研究，研究者非常贴心的重复了该研究，发现只有在细胞因子GM-CSF存在的条件下，R-2HG可以促进TF1细胞的增殖，而在标准培养条件下，R-2HG则抑制细胞的生长。
那么，R-2HG抑制细胞增殖的机制是什么？通过RNA测序分析，研究者发现Fe(II)/a-KG依赖的双加氧酶在敏感细胞系中普遍表达量更高，并且FTO的表达量与细胞对R-2HG的敏感度成正比。（图3）
图3 FTO在敏感细胞中高表达
结合Ricardo C.T.Aguiar等人的研究， R-2HG有可能特异性的抑制了FTO的活性，使m6A水平升高，造成细胞增殖降低。通过dot blot实验，研究者发现只有在对R-2HG敏感的细胞中，R-2HG才能显著的升高m6A的水平，而对R-2HG不敏感的细胞，R-2HG的处理并不能使m6A上升。(图4)
图4 R-2HG抑制FTO的活性并提高敏感细胞m6A水平
那么，FTO活性被R-2HG抑制后，引起了哪些基因的变化呢？通过MeRIP-seq和RNA-seq，研究者发现大量转录本的m6A水平发生了变化，主要中在MYC，E2F1和G2M等信号通路。考虑到FTO被报道催化m6Am的去甲基化，而m6Am集中在5UTR最前端，研究者仔细分析了差异的甲基化位点，发现主要集中在CDS区以及5UTR的后半段，说明在白血病中，FTO主要催化m6A，而不是m6Am的去甲基化。
鉴于著名的癌基因MYC在R-2HG处理后，发生了明显的降低，研究者将研究方向主要集中在R-2HG如何通过抑制FTO，提高m6A水平，导致MYC降低上。实验显示，R-2HG可以显著提高敏感细胞的MYC m6A水平，而对耐药细胞的MYC m6A水平没有影响。当稳定敲低FTO后，R-2HG不能提高敏感细胞的MYC m6A水平，而当过表达FTO后，R-2HG能升高MYC m6A水平，这说明R-2HG依赖FTO影响MYC m6A水平。（图5）由于m6A的阅读蛋白YTHDF2主要介导mRNA的讲解，研究者进一步证实了YTHDF2可以结合MYC，促进其降解。
图5 R-2HG影响MYC m6A水平
至此，研究者完整地回答了R-2HG如何通过抑制FTO活性，增加MYC m6A水平，而不是m6Am，导致MYC降解，从而抑制白血病细胞增殖。（图6）
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然而，研究并没有结束。既然R-2HG对癌细胞生长是不利的，那么为什么在AML中存在10-20%的IDH突变呢？带着这个问题，研究者分析了TCGA数据库，发现IDH突变的病人样品中，MYC的表达量更好，FTO的表达量更低。MYC和FTO的稳态可能决定了癌细胞是否对R-2HG敏感。对IDH突变的癌细胞，R-2HG和MYC抑制剂（JQ1及其他一线抗癌药物）的联合使用，对细胞的杀伤力更强，说明二者的联合有望成为针对IDH突变白血病的新疗法。
而对于大部分IDH野生型的白血病，该研究是否有指导意义呢？研究者发现R-2HG或FTO抑制剂的单独使用，以及它们分别与其他化疗药物的使用，都有很好的疗效。
总的来说，该研究推翻了长期以来认为R-2HG是促癌代谢物的观念，为IDH突变型和野生型白血病的治疗都提供了新的思路。
参考文献：
1、Bokar, J. A., Shambaugh, M. E., Polayes, D., Matera, A. G., & Rottman, F. M. (1997). Purification and cDNA cloning of the AdoMet-binding subunit of the human mRNA (N6-adenosine)-methyltransferase. RNA, 3(11), 1233-1247.
2、Xu, W., Yang, H., Liu, Y., Yang, Y., Wang, P., Kim, S. H., ... & Xiong,Y (2011). Oncometabolite 2-hydroxyglutarate is a competitive inhibitor of α-ketoglutarate-dependent dioxygenases. Cancer cell, 19(1), 17-30.
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