甲基轉(zhuǎn)移酶3（METTL3）介導(dǎo)動(dòng)脈粥樣硬化易發(fā)性血流誘導(dǎo)的內(nèi)皮細(xì)胞糖酵解

動(dòng)脈粥樣硬化易發(fā)性血流誘導(dǎo)的內(nèi)皮細(xì)胞（EC）功能障礙在動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生和進(jìn)展中起關(guān)鍵作用。在這樣的血流環(huán)境下，ECs 中的糖酵解增加，以滿足促炎和增殖表型增加的能量需求。這種類似 Warburg 效應(yīng)的糖酵解增加構(gòu)成了 EC 功能障礙的一部分，導(dǎo)致動(dòng)脈粥樣硬化形成。

N6-甲基腺苷（m6A）是真核生物中最豐富的 RNA 轉(zhuǎn)錄后修飾。研究表明，m6A RNA 修飾廣泛參與 EC 生物學(xué)和疾病。甲基轉(zhuǎn)移酶3（METTL3），一種主要的 m6 甲基轉(zhuǎn)移酶，與多種細(xì)胞功能和疾病過(guò)程有關(guān)，包括糖酵解。METTL3 和 RNA m6A 修飾由 ECs 中的振蕩剪切應(yīng)力（OS，模擬動(dòng)脈粥樣硬化易發(fā)性血流）誘導(dǎo)，說(shuō)明 METTL3 在連接機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)與 EC 功能障礙之間起著關(guān)鍵作用。然而，METTL3 是否參與 OS 誘導(dǎo)的 ECs 糖酵解仍不清楚。

心血管藥物可以通過(guò)類似于脈動(dòng)剪切應(yīng)力（PS，動(dòng)脈粥樣硬化保護(hù)性血流）介導(dǎo)的分子機(jī)制發(fā)揮 EC 保護(hù)作用。例如，鈉-葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2抑制劑（SGLT2i）是 FDA 批準(zhǔn)的治療糖尿病的藥物，通過(guò)抑制糖酵解對(duì) EC 生物學(xué)和動(dòng)脈粥樣硬化顯示出深遠(yuǎn)的有益作用。然而，SGLT2i 對(duì) EC 糖酵解的抑制是否是通過(guò) METTL3 調(diào)控的轉(zhuǎn)錄組介導(dǎo)仍有待確定。

最近，美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校心臟病學(xué)系、生物工程系及希望之城貝克曼研究所糖尿病并發(fā)癥和代謝系團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)研究驗(yàn)證了動(dòng)脈粥樣硬化易發(fā)性血流上調(diào) METTL3 以介導(dǎo) ECs 中糖酵解基因 m6A 修飾，從而導(dǎo)致 EC 功能障礙的假設(shè)。研究成果發(fā)表于 Proceedings of the National Academy of Sciences 期刊題為“METTL3 mediates atheroprone flow-induced glycolysis in endothelial cells”。

首先，為了鑒定 OS 與 PS 差異調(diào)控的糖酵解基因，分析了暴露于 OS（0.5 ± 4 dyn/cm2）和 PS（12 ± 4 dyn/cm2）的 ECs 的 RNA-seq 數(shù)據(jù)（GSE103672）。與 PS 相比，OS 上調(diào)了大多數(shù)參與糖酵解的酶，如 HK1 和 2、PFKFB3、ENO1 和 LDHB（圖1 A）。從小鼠部分頸動(dòng)脈結(jié)扎實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)也表明，糖酵解基因（包括 Hk2、Pfkfb3、Eno1 和 ldhb）在部分結(jié)扎的左頸動(dòng)脈（LCA，紊亂血流區(qū)）中也上調(diào)（圖1 B）。對(duì)已發(fā)表的轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)的分析表明，OS 至少在 mRNA 水平上部分上調(diào)糖酵解基因。

隨后，敲低 METTL3，將這些 ECs 置于 OS 中。細(xì)胞外酸化率（ECAR）顯示，METTL3 敲低顯著減弱了 OS 升高的糖酵解和乳酸水平，使其達(dá)到類似于 PS 施加的 ECs 的水平（圖1 C、D）。

此外，OS 增加了 HK1 和 PFKFB3 的 mRNA 和蛋白水平，但這在很大程度上被 METTL3 敲低所抑制，相比之下，OS 抑制的 GCKR 被 METTL3 敲低所逆轉(zhuǎn)（圖1 E、F）。這些結(jié)果表明，OS 增強(qiáng)的 EC 糖酵解是通過(guò) METTL3 調(diào)控 HK1、PFKFB3 和 GCKR 實(shí)現(xiàn)的。

圖1 OS 通過(guò) METTL3 增加糖酵解。

研究人員進(jìn)一步調(diào)查了 OS 誘導(dǎo)的糖酵解基因的 m6A 修飾。根據(jù) eCLIP-seq 數(shù)據(jù)，證實(shí) OS 誘導(dǎo)了 HK1、PFKFB3 和 GCKR 的 m6A 修飾。之前的研究表明，OS 激活的 METTL3 通過(guò)在其靶基因的3’非翻譯區(qū)（3’UTR）附近誘導(dǎo) m6A 位點(diǎn)高甲基化。因此，通過(guò) SRAMP 算法來(lái)預(yù)測(cè)HK1、PFKFB3 和 GCKR mRNA 的 3’UTR 高置信度 m6A 位點(diǎn)（圖2 A），并通過(guò) m6A - RNA-免疫沉淀（m6A-RNA-IP）qPCR 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

正如預(yù)期，OS 可富集這些基因 3’UTR的 m6A 修飾，但被 METTL3 敲低減弱（圖2 B）。使用 PS 下 ECs 的互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)中，過(guò)表達(dá)野生型（WT）METTL3，而非催化突變體 METTL3-APPA ，增加了這些基因的 m6A 修飾（圖2 C），伴隨 HK1 和 PFKFB3 的 mRNA 和蛋白質(zhì)水平增加，但 GCKR 水平降低（圖2 D、E）。此外，過(guò)表達(dá) m6A 去甲基化酶 FTO 顯著抑制 OS 上調(diào)的 HK1 和 PFKFB3 并逆轉(zhuǎn) OS 下調(diào)的 GCKR（圖2 F、G）。這些結(jié)果表明，剪切應(yīng)力對(duì) HK、PFKFB3 和 GCKR 的調(diào)控是通過(guò) METTL3 介導(dǎo)的 m6A 修飾實(shí)現(xiàn)的。

圖2 剪切應(yīng)力通過(guò) m6A 修飾調(diào)節(jié)糖酵解基因。

由于 SGLT2 是糖酵解的正調(diào)節(jié)因子，接下來(lái)研究了 SGLT2i 是否可以作為 PS 通過(guò)抑制 METTL3 來(lái)減輕 EC 糖酵解。用恩格列凈（EMPA，一種SGLT2i）處理 ECs，發(fā)現(xiàn)其顯著降低了 METTL3 的蛋白水平，而對(duì)其 mRNA 水平影響不大。隨著 METTL3 水平降低，HK1 和 PFKFB3 的表達(dá)也降低，GCKR 的表達(dá)增加。當(dāng)過(guò)表達(dá) METTL3 時(shí)，EMPA 對(duì)這些糖酵解基因的影響被逆轉(zhuǎn)。ECAR 和乳酸產(chǎn)生測(cè)定表明，EMPA 降低了 EC 糖酵解，而 METTL3 過(guò)表達(dá)逆轉(zhuǎn)了這一點(diǎn)。這些數(shù)據(jù)表明，以 EMPA 為代表的 SGLT2i 通過(guò)下調(diào) METTL3 減弱 EC 糖酵解。

利用離體主動(dòng)脈弓（AA）和胸動(dòng)脈（TA）內(nèi)膜分別代表動(dòng)脈粥樣硬化易發(fā)性血流和動(dòng)脈粥樣硬化保護(hù)血流下的血管段（圖3 A）。qPCR 分析證實(shí)，與 TA 內(nèi)膜相比，AA 內(nèi)膜中的 METTL3 （圖3 B）水平、Hk1 和 Pfkfb3 mRNA 水平升高，而 Gckr 的 mRNA 水平較低（圖3 C）。重要的是，與 WT 小鼠相比，在 EC-METTL3−/− 小鼠中，AA 和 TA 內(nèi)膜中 Hk1、Pfkfb3 和 Gckr 的表達(dá)水平發(fā)生了逆轉(zhuǎn)（圖3 C）。這些結(jié)果表明，METTL3 在體內(nèi)介導(dǎo)動(dòng)脈粥樣硬化易發(fā)性血流誘導(dǎo)的糖酵解。

圖3 體內(nèi)動(dòng)脈粥樣硬化易發(fā)性血流通過(guò) METTL3 增加糖酵解。

使用 D7-葡萄糖（D7-glu）標(biāo)記的 ECs 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以評(píng)估 METTL3 在血流下調(diào)節(jié) EC 代謝的作用。用 METTL3 或 siMETTL3 轉(zhuǎn)染 ECs 并暴露于 PS 或 OS。在 OS 下，ECs 的 CD 信號(hào)（代表新合成的脂質(zhì)來(lái)源于攝取的 D7-glu）顯著升高，并且被 siMETTL3 消除。另一方面，過(guò)表達(dá) METTL3 的 ECs 在 PS 下顯示 CD 信號(hào)增加。這些結(jié)果表明，METTL3 增加了來(lái)源于攝取的 D7-glu 衍生的新合成脂質(zhì)（圖3 D）。

進(jìn)一步研究轉(zhuǎn)基因 Mettl3 小鼠血管壁上的葡萄糖代謝物，對(duì) EC-Mettl3−/− 和 WT 小鼠飼喂含 3% D7-glu 的水 2 周并監(jiān)測(cè)體內(nèi)葡萄糖代謝。受激拉曼散射顯微成像（SRS）顯示，與動(dòng)脈粥樣硬化保護(hù)性 TA 區(qū)域相比，動(dòng)脈粥樣硬化易發(fā)性 AA 區(qū)域的 CD/CH 比率（反映 D7-glu 摻入新合成脂質(zhì)的情況）較高，表明 AA 中 D7-glu 摻入新合成的脂質(zhì)增加（圖3 E）。AA 組中的 NADH/黃素比率（反映分解代謝情況）也顯著高于 TA（圖3 E），表明動(dòng)脈粥樣硬化易感區(qū)域的分解代謝增加。然而，這些代謝水平的升高在 Mettl3 敲除小鼠中受到抑制。這些數(shù)據(jù)表明，動(dòng)脈粥樣硬化易發(fā)性血流通過(guò) METTL3 介導(dǎo)的機(jī)制在體外和體內(nèi)升高葡萄糖攝取和代謝。

圖4 示意圖顯示動(dòng)脈粥樣硬化易發(fā)性血流通過(guò) METTL3 增加 ECs 中的糖酵解。

總之，該研究揭示了動(dòng)脈粥樣硬化易發(fā)性血流通過(guò)誘導(dǎo) METTL3 促進(jìn) EC 糖酵解的機(jī)制。另一方面，動(dòng)脈粥樣硬化保護(hù)性血流和 SGLT2i 通過(guò)抑制HK1、PFKFB3 和 GCKR的 METTL3-m6A 修飾來(lái)抑制糖酵解。這些發(fā)現(xiàn)通過(guò)將轉(zhuǎn)錄狀態(tài)與代謝調(diào)節(jié)聯(lián)系起來(lái)，增強(qiáng)了我們對(duì) EC 生物學(xué)在健康和疾病中的理解。

參考文獻(xiàn)：Zhao GJ, Han SY, Li Y, Yuan D, Qin S, Li Y, Jang H, Chen LJ, Wei TW, He M, Li YS, Bouman Chen Z, Shi L, Chien S, Shyy JY. METTL3 mediates atheroprone flow-induced glycolysis in endothelial cells. Proc Natl Acad Sci U S A. 2025 May 13;122(19):e2424796122. doi: 10.1073/pnas.2424796122. Epub 2025 May 6. PMID: 40327688.

原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40327688/

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