甲基转移酶3（METTL3）介导动脉粥样硬化易发性血流诱导的内皮细胞糖酵解

动脉粥样硬化易发性血流诱导的内皮细胞（EC）功能障碍在动脉粥样硬化的发生和进展中起关键作用。在这样的血流环境下，ECs 中的糖酵解增加，以满足促炎和增殖表型增加的能量需求。这种类似 Warburg 效应的糖酵解增加构成了 EC 功能障碍的一部分，导致动脉粥样硬化形成。

N6-甲基腺苷（m6A）是真核生物中最丰富的 RNA 转录后修饰。研究表明，m6A RNA 修饰广泛参与 EC 生物学和疾病。甲基转移酶3（METTL3），一种主要的 m6 甲基转移酶，与多种细胞功能和疾病过程有关，包括糖酵解。METTL3 和 RNA m6A 修饰由 ECs 中的振荡剪切应力（OS，模拟动脉粥样硬化易发性血流）诱导，说明 METTL3 在连接机械转导与 EC 功能障碍之间起着关键作用。然而，METTL3 是否参与 OS 诱导的 ECs 糖酵解仍不清楚。

心血管药物可以通过类似于脉动剪切应力（PS，动脉粥样硬化保护性血流）介导的分子机制发挥 EC 保护作用。例如，钠-葡萄糖协同转运蛋白2抑制剂（SGLT2i）是 FDA 批准的治疗糖尿病的药物，通过抑制糖酵解对 EC 生物学和动脉粥样硬化显示出深远的有益作用。然而，SGLT2i 对 EC 糖酵解的抑制是否是通过 METTL3 调控的转录组介导仍有待确定。

最近，美国加州大学圣地亚哥分校心脏病学系、生物工程系及希望之城贝克曼研究所糖尿病并发症和代谢系团队的一项研究验证了动脉粥样硬化易发性血流上调 METTL3 以介导 ECs 中糖酵解基因 m6A 修饰，从而导致 EC 功能障碍的假设。研究成果发表于 Proceedings of the National Academy of Sciences 期刊题为“METTL3 mediates atheroprone flow-induced glycolysis in endothelial cells”。

首先，为了鉴定 OS 与 PS 差异调控的糖酵解基因，分析了暴露于 OS（0.5 ± 4 dyn/cm2）和 PS（12 ± 4 dyn/cm2）的 ECs 的 RNA-seq 数据（GSE103672）。与 PS 相比，OS 上调了大多数参与糖酵解的酶，如 HK1 和 2、PFKFB3、ENO1 和 LDHB（图1 A）。从小鼠部分颈动脉结扎实验获得的数据也表明，糖酵解基因（包括 Hk2、Pfkfb3、Eno1 和 ldhb）在部分结扎的左颈动脉（LCA，紊乱血流区）中也上调（图1 B）。对已发表的转录组学数据的分析表明，OS 至少在 mRNA 水平上部分上调糖酵解基因。

随后，敲低 METTL3，将这些 ECs 置于 OS 中。细胞外酸化率（ECAR）显示，METTL3 敲低显著减弱了 OS 升高的糖酵解和乳酸水平，使其达到类似于 PS 施加的 ECs 的水平（图1 C、D）。

此外，OS 增加了 HK1 和 PFKFB3 的 mRNA 和蛋白水平，但这在很大程度上被 METTL3 敲低所抑制，相比之下，OS 抑制的 GCKR 被 METTL3 敲低所逆转（图1 E、F）。这些结果表明，OS 增强的 EC 糖酵解是通过 METTL3 调控 HK1、PFKFB3 和 GCKR 实现的。

图1 OS 通过 METTL3 增加糖酵解。

研究人员进一步调查了 OS 诱导的糖酵解基因的 m6A 修饰。根据 eCLIP-seq 数据，证实 OS 诱导了 HK1、PFKFB3 和 GCKR 的 m6A 修饰。之前的研究表明，OS 激活的 METTL3 通过在其靶基因的3’非翻译区（3’UTR）附近诱导 m6A 位点高甲基化。因此，通过 SRAMP 算法来预测HK1、PFKFB3 和 GCKR mRNA 的 3’UTR 高置信度 m6A 位点（图2 A），并通过 m6A - RNA-免疫沉淀（m6A-RNA-IP）qPCR 实验验证。

正如预期，OS 可富集这些基因 3’UTR的 m6A 修饰，但被 METTL3 敲低减弱（图2 B）。使用 PS 下 ECs 的互补实验中，过表达野生型（WT）METTL3，而非催化突变体 METTL3-APPA ，增加了这些基因的 m6A 修饰（图2 C），伴随 HK1 和 PFKFB3 的 mRNA 和蛋白质水平增加，但 GCKR 水平降低（图2 D、E）。此外，过表达 m6A 去甲基化酶 FTO 显著抑制 OS 上调的 HK1 和 PFKFB3 并逆转 OS 下调的 GCKR（图2 F、G）。这些结果表明，剪切应力对 HK、PFKFB3 和 GCKR 的调控是通过 METTL3 介导的 m6A 修饰实现的。

图2 剪切应力通过 m6A 修饰调节糖酵解基因。

由于 SGLT2 是糖酵解的正调节因子，接下来研究了 SGLT2i 是否可以作为 PS 通过抑制 METTL3 来减轻 EC 糖酵解。用恩格列净（EMPA，一种SGLT2i）处理 ECs，发现其显著降低了 METTL3 的蛋白水平，而对其 mRNA 水平影响不大。随着 METTL3 水平降低，HK1 和 PFKFB3 的表达也降低，GCKR 的表达增加。当过表达 METTL3 时，EMPA 对这些糖酵解基因的影响被逆转。ECAR 和乳酸产生测定表明，EMPA 降低了 EC 糖酵解，而 METTL3 过表达逆转了这一点。这些数据表明，以 EMPA 为代表的 SGLT2i 通过下调 METTL3 减弱 EC 糖酵解。

利用离体主动脉弓（AA）和胸动脉（TA）内膜分别代表动脉粥样硬化易发性血流和动脉粥样硬化保护血流下的血管段（图3 A）。qPCR 分析证实，与 TA 内膜相比，AA 内膜中的 METTL3 （图3 B）水平、Hk1 和 Pfkfb3 mRNA 水平升高，而 Gckr 的 mRNA 水平较低（图3 C）。重要的是，与 WT 小鼠相比，在 EC-METTL3−/− 小鼠中，AA 和 TA 内膜中 Hk1、Pfkfb3 和 Gckr 的表达水平发生了逆转（图3 C）。这些结果表明，METTL3 在体内介导动脉粥样硬化易发性血流诱导的糖酵解。

图3 体内动脉粥样硬化易发性血流通过 METTL3 增加糖酵解。

使用 D7-葡萄糖（D7-glu）标记的 ECs 进行实验以评估 METTL3 在血流下调节 EC 代谢的作用。用 METTL3 或 siMETTL3 转染 ECs 并暴露于 PS 或 OS。在 OS 下，ECs 的 CD 信号（代表新合成的脂质来源于摄取的 D7-glu）显著升高，并且被 siMETTL3 消除。另一方面，过表达 METTL3 的 ECs 在 PS 下显示 CD 信号增加。这些结果表明，METTL3 增加了来源于摄取的 D7-glu 衍生的新合成脂质（图3 D）。

进一步研究转基因 Mettl3 小鼠血管壁上的葡萄糖代谢物，对 EC-Mettl3−/− 和 WT 小鼠饲喂含 3% D7-glu 的水 2 周并监测体内葡萄糖代谢。受激拉曼散射显微成像（SRS）显示，与动脉粥样硬化保护性 TA 区域相比，动脉粥样硬化易发性 AA 区域的 CD/CH 比率（反映 D7-glu 掺入新合成脂质的情况）较高，表明 AA 中 D7-glu 掺入新合成的脂质增加（图3 E）。AA 组中的 NADH/黄素比率（反映分解代谢情况）也显著高于 TA（图3 E），表明动脉粥样硬化易感区域的分解代谢增加。然而，这些代谢水平的升高在 Mettl3 敲除小鼠中受到抑制。这些数据表明，动脉粥样硬化易发性血流通过 METTL3 介导的机制在体外和体内升高葡萄糖摄取和代谢。

图4 示意图显示动脉粥样硬化易发性血流通过 METTL3 增加 ECs 中的糖酵解。

总之，该研究揭示了动脉粥样硬化易发性血流通过诱导 METTL3 促进 EC 糖酵解的机制。另一方面，动脉粥样硬化保护性血流和 SGLT2i 通过抑制HK1、PFKFB3 和 GCKR的 METTL3-m6A 修饰来抑制糖酵解。这些发现通过将转录状态与代谢调节联系起来，增强了我们对 EC 生物学在健康和疾病中的理解。

参考文献：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.

原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40327688/

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