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中山大学Nature子刊最新研究：NAT10介导的mRNA ac4C修饰在急性髓系白血病中的关键作用
近日，“Nature Cell Biology”（IF=17.3）上发表了一篇题为“NAT10-mediated mRNA N4-acetylcytidine reprograms serine metabolism to drive leukaemogenesis and stemness in acute myeloid leukaemia”的文章。这篇文章揭示了RNA N4-乙酰胞嘧啶核苷（ac4C）修饰及其催化酶NAT10在急性髓系白血病中的重要作用。
研究背景介绍
N4-乙酰胞嘧啶核苷（ac4C）是一种在细菌、古菌和真核生物中保守的RNA修饰，是真核生物RNA中唯一的乙酰化事件。它影响mRNA的稳定性和翻译效率，与多种生物学过程和疾病状态相关。
急性髓系白血病（AML）是一种起源于髓系造血干细胞的恶性血液肿瘤，其特征是白血病细胞的不受控制增殖和分化障碍。AML是成人中最常见的急性白血病类型，预后较差。
白血病干细胞/起始细胞（LSCs/LICs）是AML中的一小组细胞，具有自我更新和多向分化的能力，是白血病复发和耐药性的根源。靶向LSCs/LICs的治疗策略是AML治疗研究的热点。
研究思路分析
01NAT10在AML中的作用与重要性
①利用癌症依赖性图谱（DepMap）数据分析了AML对232个RNA表观遗传调节剂的依赖性。结果显示，约30%RNA表观遗传调节剂对于AML细胞的生长和存活至关重要。而RNA表观遗传调节因子的CERES分数显著低于其他基因，这表明RNA表观遗传机制在AML中可能具有关键作用。在众多调节因子中，ac4C修饰酶NAT10的CERES分数较低，且在AML患者中表达上调，与不良预后呈正相关，提示NAT10可能是AML中的关键癌基因。
②为了研究NAT10在AML中的作用，通过两种方法进行了实验：一是使用shRNA沉默Nat10，二是通过条件性敲除（cKO）小鼠模型敲除Nat10。两种方法都显著延长了小鼠的生存期，减少了白血病细胞数量和器官浸润。此外，还发现Nat10的敲低和敲除显著损害造血干细胞（HSPCs）的集落形成能力和AML细胞的干细胞特性，且在Nat10-cKO白血病小鼠的骨髓中，LSCs/LICs的频率显著降低。
③在人类AML细胞系MOLM13和MonoMac6中，通过shRNA技术敲低NAT10可以抑制细胞生长并诱导细胞凋亡，显示出抗白血病效果。RNA测序分析揭示了NAT10敲低后有大量差异表达基因，特别是与丝氨酸代谢途径相关基因的下调。代谢组学分析进一步证实了NAT10敲低对丝氨酸代谢的影响，包括减少丝氨酸及其代谢产物的水平，以及降低丝氨酸从葡萄糖的合成和从细胞外环境的摄取。表明NAT10在调控丝氨酸代谢中起着关键作用，其敲低可以同时抑制丝氨酸的摄取和生物合成，为AML的治疗提供了新的视角。
02NAT10对丝氨酸代谢的调控
①研究发现，在小鼠HSPCs中敲低或敲除NAT10会导致RNA上的ac4C水平显著下降，而对蛋白质乙酰化水平影响不大。此外，NAT10的催化失活突变体和RNA结合活性丧失的突变体不能促进RNA乙酰化和细胞生长，也不能恢复Nat10敲除小鼠造血干细胞的集落形成能力和丝氨酸代谢水平。表明，NAT10主要通过RNA乙酰化和结合活性，而非蛋白质乙酰化，来促进AML细胞的代谢和生长。
②采用了RacRIP-seq技术来分析MOLM13细胞中的ac4C修饰情况。研究发现，NAT10敲低后，ac4C修饰全局减少，特别是在丝氨酸转运蛋白SLC1A4 mRNA上的修饰显著下降。尽管NAT10的敲低不影响SLC1A4 mRNA的水平和稳定性，但它显著降低了SLC1A4蛋白的水平，表明NAT10可能通过影响mRNA的翻译来调节蛋白质的表达。此外，SLC1A4的敲低抑制丝氨酸的摄取和AML细胞的生长，而引入SLC1A4可部分逆转NAT10敲低对AML细胞生长和集落形成的抑制作用，表明SLC1A4是NAT10在AML中的重要功能靶点。
③研究发现NAT10通过影响HOXA9和MENIN这两个转录因子来调控丝氨酸生物合成，进而影响AML细胞的代谢和生长。尽管NAT10敲低会减少SSP基因的表达，但这些基因并非NAT10的直接靶标。相反，NAT10通过在HOXA9和MENIN mRNA上添加ac4C修饰来增强它们的翻译，进而提高SSP基因的表达。HOXA9和MENIN能够直接结合到SSP基因的启动子上，调控它们的表达。NAT10的敲低或敲除会降低HOXA9和MENIN蛋白水平，减少SSP基因的表达，并抑制丝氨酸合成，从而证实了NAT10在调控AML细胞丝氨酸代谢中的关键作用。
④NAT10在AML等血液系统恶性肿瘤中表达水平较高，特别是在MLL重排的AML和FLT3-ITD突变的病例中。MLL融合蛋白通过直接结合NAT10启动子区域并调节其组蛋白修饰，促进NAT10的转录。此外，NAT10在AML干细胞中的表达水平较高，且其高表达与AML患者预后不良相关。表明NAT10在AML中可能扮演着重要角色，并可能成为治疗的潜在靶点。
03NAT10作为治疗靶点的潜力
①研究发现NAT10在AML中表达上调，并对维持AML细胞的存活和干细胞特性至关重要。因此评估了NAT10在AML治疗中的潜力。与细胞系结果一致，NAT10的敲低显著抑制了携带MLL融合的原代人类白血病细胞、FLT3-ITD突变的患者来源异种移植（PDX）细胞的生长，并抑制了MLL-AF9白血病小鼠的白血病细胞集落形成。此外，二次骨髓移植实验显示，NAT10的沉默显著延长了受体小鼠的总生存期。在成年小鼠中，通过他莫昔芬诱导的Nat10敲除未导致急性死亡或体重下降，对主要器官的形态和组织病理学影响很小，表明NAT10是一个有前景且安全的AML治疗靶点。
②将NAT10抑制剂Remodelin以及几种FDA批准的药物对比评估其抗白血病的效果。研究发现，Remodelin能有效抑制AML细胞系的生长，还能以剂量依赖的方式抑制MLL-AF9白血病小鼠的白血病细胞集落形成。在体内实验中，Remodelin显著延长了C1498同种AML模型小鼠的总生存期，并减轻了脾肿大症状，没有显著体重损失。表明，小分子抑制剂靶向NAT10能在体外和体内有效抑制AML。
③此外，研究还探索了NAT10抑制剂在克服MENIN抑制剂耐药性方面的潜力。已知MENIN抑制剂如revumenib对MLLr或NPM1突变AML是有效的，但患者常因MENIN的体细胞突变（例如M327I或G331R）而产生耐药性。研究发现，Remodelin能显著抑制revumenib耐药细胞的生长，其IC50值与野生型MENIN的敏感细胞相似，表明靶向NAT10是克服MENIN抑制剂耐药性的有前景的策略。
图1. Nat10对AML发展和LSC/LIC自我更新至关重要
图2. 转录组学和代谢组学分析显示NAT10促进丝氨酸摄取和生物合成
图3. NAT10以RNA乙酰化依赖性方式促进AML
图4. NAT10通过对SLC1A4 mRNA的ac4C修饰调节丝氨酸摄取
图5. NAT10通过HOXA9/MENIN促进SSP基因转录和丝氨酸生物合成
图6.NAT10在AML中高表达且代表一个治疗靶点
图7. Remodelin或氟达拉滨对NAT10的抑制在体外和体内均表现出抗白血病效力
结论与讨论
本文揭示了NAT10及其介导的mRNA ac4C修饰在AML中的重要作用。NAT10通过促进丝氨酸摄取和生物合成来重编程丝氨酸代谢，驱动白血病发生和维持白血病干细胞的自我更新。同时，NAT10在AML中异常高表达，与不良预后相关，且可作为一个有潜力的治疗靶点，其抑制剂在体内外实验中展现出显著的抗白血病效果。
未来需进一步研究NAT10作为临床靶点的潜力，开发基于ac4C的AML治疗方法。
应用
对于国自然选题方向，以下几点可供参考：
⩥深入研究NAT10与AML中其他关键信号通路（如PI3K-Akt、MAPK等）的相互作用，解析其协同调控白血病细胞增殖、凋亡和耐药性的分子机制。
⩥聚焦白血病干细胞与其微环境（如骨髓基质细胞、免疫细胞等）之间的相互作用，探究NAT10如何通过调节细胞外基质成分、细胞因子分泌等影响白血病干细胞的休眠、增殖和耐药性，为靶向白血病干细胞微环境的治疗策略提供理论依据。