Nature+Cell Research | 核糖体甲基化修饰介导的癌症发生发展

胃癌在全世界所有癌症死亡病例中排名第三【1】。通常在胃癌转移之前通过手术加以放化疗进行治疗，但在没有广泛的开展胃癌筛查地区，胃癌诊断出来的时候，肿瘤就已经转移了，比如转移到腹腔，通常这个时候意味着进入了胃癌终末阶段，疗效以及预后很差【2,3】。因此对胃癌的发生，发展的机制的研究很重要。

蛋白质赖氨酸的甲基化是一种重要的转录后修饰，它可以调节蛋白质的功能。蛋白质甲基化修饰稳态的失调被报道调控多种肿瘤的发生发展【4】。

2024年7月24日，MD 安德森的Pawel K. Mazur实验室和斯坦福大学的Or Gozani实验室合作在Nature上发表了文章SMYD5 methylation of rpL40 links ribosomal output to gastric cancer，揭示了SMYD5甲基化修饰核糖体蛋白L40的K22位点促进胃癌的发生发展。

在本研究中，研究人员首先通过生信分析发现，赖氨酸甲基转移酶SMYD5在胃癌中显著上调，且与病人的生存期显示出极强的负相关性。

为了研究这背后的机理，研究人员通过CRISPR-Cas9系统以及蛋白质质谱技术鉴定出SMYD5的底物是核糖体蛋白RPL40，且在RPL40的K22位点进行三甲基化修饰。后续的回补实验充分证明了RPL40K22me3的确只依赖于SMYD5的催化活性。

进一步的研究发现，RPL40K22位点的三甲基化促进了核糖体翻译蛋白的效率，而且是在翻译延伸的阶段。研究人员通过polysome-seq发现，RPL40K22me3促进了胃癌发生发展相关基因ATF6, CCND1, CDK4, MAPK7, NRAS, SOX9, SRF等的翻译。

随后在多种胃癌细胞系中发现，SMYD5敲除的确显著抑制了肿瘤在体内，体外的生长，而且这个作用依赖于SMYD5对RPL40K22位点的三甲基化修饰。

研究人员还利用两种转基因小鼠的胃癌模型进一步证明SMYD5显著抑制了胃癌的发生，发展，以及转移，极大的延长了小鼠的生存期。

此外，研究人员还筛选出SMYD5敲除的胃癌细胞对于PI3K抑制剂Omipanisib更加敏感。在小鼠胃癌腹腔转移模型中，Omipanisib的确对于SMYD5敲除的肿瘤有更好地疗效，但是没能彻底清除肿瘤。于是，研究人员引入了CAR-T联合疗法。实验发现，Omipanisib和CAR-T 联用彻底清除了小鼠腹腔内的肿瘤细胞。

图1. SMYD5通过RPL40K22me3促进胃癌发生的模式图

总之，本研究发现了甲基转移酶SMYD5通过调控核糖体蛋白RPL40K22位点的三甲基化来促进相关原癌基因的翻译表达，进而促进了胃癌的发生与发展。由于SMYD5敲除的小鼠发育生长正常，因此抑制SMYD5不会有on-target毒性，而且SMYD5抑制剂和Omipanisib联用对于治疗胃癌有更好的疗效，进一步的与CAR-T疗法联用能彻底治愈胃癌。

本研究是MD 安德森的Mazur Lab和斯坦福大学的Gozani Lab合作完成。Juhyung Park和吴季波是论文的共同第一作者。

值得一提的是，2024年8月6日，复旦大学生物医学研究院 (IBS) 蓝斐实验室在Cell Research上发表论文SMYD5 is a ribosomal methyltransferase that catalyzes RPL40 lysine methylation to enhance translation output and promote hepatocellular carcinoma，发现SET和MYND结构域家族的SMYD5成员能够通过三甲基化核糖体蛋白RPL40的K22位点，提高细胞整体翻译水平，促进肝癌的发生发展。

蓝斐研究团队通过体外酶活筛选明确SMYD5能够特异性催化RPL40 K22位点的三甲基化。此前有报道认为SMYD5能够催化H3K36的甲基化，研究团队也通过酶活实验及串联质谱证明，其催化RPL40 K22位点的活性远远高于其组蛋白催化活性。研究团队后续进一步验证了在细胞内RPL40 K22位点的三甲基化也是由SMYD5负责催化的。

通过分析已有的高分辨率核糖体结构，研究人员发现RPL40 K22位点位于核糖体GAC催化活性中心，靠近P-stalk及核糖体翻译延伸因子eEF1A和eEF2结合的地方。甲基化的存在与否很可能影响翻译延伸过程中的构象改变程度或速率，进一步影响整体翻译效率。针对这一假想，研究人员首先通过AHA-Click、SUnSET 和Ribo-seq等实验证实SMYD5丢失后，肝癌细胞整体翻译输出下降。结合近期领域内火热的核糖体碰撞研究，研究人员对细胞进行了disome分析，发现RPL40K22甲基化丢失后细胞会发生翻译延伸问题，产生更多的核糖体碰撞事件，并更容易被相应翻译延伸抑制剂激活下游p-P38的磷酸化，导致核糖体压力应答，影响细胞的生存。这也是首次报道核糖体上修饰的丢失会引起延伸碰撞事件，对领域内的相关研究具有启示意义。对应Nature研究团队通过polysome profiling等实验发现SMYD5丢失也会影响胃癌细胞的蛋白合成速率，证实SMYD5及RPL40 K22甲基化在不同类型的癌症细胞翻译过程中都扮演着重要角色。

通过TCGA数据库、过往研究数据及复旦大学中山医院肝外科现有样本分析，蓝斐研究团队进一步发现SMYD5在肝癌患者的癌组织中高表达，并且表达量与预后生存期呈负相关。直接敲除SMYD5虽不会显著影响肝癌细胞的生长，但通过含有几百种化合物的抑制剂库筛选，研究人员发现丢失SMYD5的肝癌细胞对mTOR通路抑制剂显著敏感，并通过细胞移植皮下瘤模型(CDX)和病人组织移植皮下瘤模型(PDX)进一步证明丢失SMYD5及其底物甲基化与mTOR通路抑制剂联用对肝癌的发生发展具有良好的抑制效果。值得一提的是，SMYD5全身敲除的小鼠存活没有任何问题（IMPC 国际小鼠表型中心数据），并且在原发性肝癌模型中具有良好的肿瘤抵抗表型，体现SMYD5作为治疗药靶良好的应用前景。

而Nature研究团队同样发现SMYD5丢失的胃癌细胞对mTOR通路抑制剂更为敏感，并设计了完善的动物实验方案，联合免疫治疗，大大提高了患癌小鼠的生存期，具有很高的临床治疗参考价值。

总的来说，这两项研究揭示了SMYD5通过甲基化核糖体蛋白RPL40，参与翻译延伸，调控翻译活力，促进肿瘤发生发展的生物学过程，并且将赖氨酸甲基化调控的重要性从转录层面拓展到翻译层面。合理利用核糖体这一甲基化开关，有望为临床癌症治疗提供新的手段。原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07718-0https://www.nature.com/articles/s41422-024-01013-3

制版人：十一

参考文献

1 Morgan, E. et al. The current and future incidence and mortality of gastric cancer in 185 countries, 2020-40: A population-based modelling study. EClinicalMedicine 47, 101404 (2022). https://doi.org/10.1016/j.eclinm.2022.101404

2 Hirata, Y., Noorani, A., Song, S., Wang, L. & Ajani, J. A. Early stage gastric adenocarcinoma: clinical and molecular landscapes. Nat Rev Clin Oncol 20, 453-469 (2023). https://doi.org/10.1038/s41571-023-00767-w

3 Manzanedo, I., Pereira, F., Perez-Viejo, E. & Serrano, A. Gastric Cancer with Peritoneal Metastases: Current Status and Prospects for Treatment. Cancers (Basel) 15 (2023). https://doi.org/10.3390/cancers15061777

4 Bhat, K. P., Umit Kaniskan, H., Jin, J. & Gozani, O. Epigenetics and beyond: targeting writers of protein lysine methylation to treat disease. Nat Rev Drug Discov 20, 265-286 (2021). https://doi.org/10.1038/s41573-020-00108-x

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