FMRP 调控慢性缺氧下 HCT116 细胞糖酵解基因表达：揭示细胞适应缺氧新机制

在缺氧相关研究中，转录调控机制已被熟知，但慢性缺氧下转录后调控对基因表达的影响不明。研究人员以 HCT116 细胞为对象，开展慢性缺氧下基因表达调控研究。结果发现 102 个基因受 RNA 降解调控，FMRP 可稳定糖酵解限速酶 mRNA。这为了解细胞适应缺氧机制提供新视角。

　　在生命的奇妙旅程中，氧气扮演着至关重要的角色。对于需氧生物而言，氧气是进行三羧酸循环（TCA cycle）和电子传递链，进而产生能量货币三磷酸腺苷（ATP）的关键要素。然而，在生理和病理状态下，缺氧（Hypoxia）的情况却时常发生。比如在胚胎发育的过程中，以及肿瘤组织快速生长导致局部血管供应不足时，都会出现缺氧环境。

在缺氧条件下，细胞为了生存和适应，会启动一系列复杂的调控机制。其中，缺氧诱导因子（HIFs）对转录模块的调控是研究较为广泛的一种缺氧应答机制。不过，以往的研究大多集中在急性缺氧（通常持续数小时）时的调控机制，对于慢性缺氧（持续数天）下的基因表达调控，尤其是转录后调控，人们的了解还十分有限。这就好比在一座神秘的城堡中，虽然我们已经探索了其中的一些房间，但还有许多未知的领域等待我们去发现。慢性缺氧下基因表达如何调控，这一问题一直困扰着科研人员，也成为了该领域亟待解决的重要课题。

为了揭开慢性缺氧下基因表达调控的神秘面纱，来自日本东京大学等多个研究机构的研究人员展开了深入研究。他们以人结肠癌细胞系 HCT116 细胞为研究对象，致力于探究慢性缺氧下基因表达的调控机制。经过一系列严谨的实验和深入的分析，研究人员取得了重要的研究成果。他们发现，在慢性缺氧条件下，有 102 个基因的表达主要通过 RNA 降解进行调控，并且鉴定出脆性 X 信使核糖核蛋白 1（FMRP）是参与稳定糖酵解限速酶 mRNA 的关键蛋白。这一发现为理解细胞在慢性缺氧环境下的适应机制提供了全新的视角，就像在黑暗中点亮了一盏明灯，为后续的研究指明了方向。该研究成果发表在《Scientific Reports》杂志上。

研究人员在此次研究中运用了多种先进的技术方法。首先是 SLAM-seq 技术，它可以通过 4 - 硫尿苷（4sU）标记新合成的 RNA，从而实现对 RNA 合成和降解速率的同时测定。其次是增强 RNA 相互作用组捕获（eRIC-MS）技术，利用该技术能够鉴定在慢性缺氧条件下与 mRNA 结合的 RNA 结合蛋白（RBPs）。此外，研究人员还使用了 RNA 测序（RNA-seq）分析来研究基因表达谱的变化，以及蛋白质免疫印迹（WB）等技术对相关蛋白进行检测 。

下面来看具体的研究结果：

• 慢性缺氧下 HCT116 细胞的变化：研究人员将 HCT116 细胞置于缺氧（1% O₂）条件下培养，观察其随时间的变化。结果发现，缺氧诱导因子 1α（HIF1α）蛋白水平在缺氧后 4 小时内升高，随后在 48 小时内逐渐下降。早期缺氧反应因子葡萄糖转运蛋白 1（GLUT1）和碳酸酐酶 9（CA9）的 RNA 水平从 0 到 48 小时持续上升，而慢性缺氧反应因子基质金属蛋白酶 1（MMP124）的 RNA 水平仅在 48 小时时升高 。通过主成分分析（PCA）发现，缺氧诱导的基因表达谱在 24 小时内发生变化，并至少持续到 48 小时，因此研究人员将 36 小时的缺氧处理定义为慢性缺氧。
• RNA 合成和降解速率的计算：利用 SLAM-seq 技术，研究人员对 HCT116 细胞在常氧和慢性缺氧状态下的 RNA 合成和降解速率进行了量化。他们通过 4sU 标记新合成的 RNA，经过一系列处理后进行测序分析。结果显示，RNA 合成速率（k_s）和降解速率（k_d）均服从对数高斯分布，且两者之间没有相互相关性。
• 部分差异表达基因受 RNA 降解调控：研究人员进一步分析了 RNA 合成和降解对差异表达基因的贡献。他们发现，在 11,969 个表达基因中，有 1,330 个 RNA 在缺氧条件下差异表达。其中，102 个 RNA 的差异表达主要受 RNA 降解调控（ρ_d>60%），并且上调的 RNA 往往具有更大的 ρ_d值，这表明它们在慢性缺氧中的表达增加可能是由于 RNA 稳定性增强所致。
• RNA 降解调控参与慢性缺氧下糖酵解增强：通过功能富集分析和基因集富集分析（GSEA），研究人员发现主要受 RNA 降解调控的差异表达 RNA 在糖酵解过程中显著富集。参与糖酵解的关键酶，如己糖激酶 - 1（HK1）、肝型磷酸果糖激酶（PFKL）和丙酮酸激酶 M1/2（PKM）的 mRNA，其表达水平在慢性缺氧下通过 RNA 稳定作用显著增加，同时这些酶的蛋白水平也相应升高，细胞内乳酸积累，从而证实了 RNA 降解调控在慢性缺氧下糖酵解增强中的重要作用。
• 鉴定慢性缺氧相关的候选 RBPs：研究人员利用 eRIC-MS 技术，对慢性缺氧下与 mRNA 结合的 RBPs 进行了研究。他们发现，在鉴定出的 RBPs 中，有 43 个在慢性缺氧条件下活性增强。通过进一步分析，筛选出胰岛素样生长因子 2 mRNA 结合蛋白 2（IGF2BP2）和 FMRP 这两个可能参与稳定糖酵解 mRNA 的 RBPs。
• FMRP 作为糖酵解 mRNA 的稳定性调节因子：通过敲低实验，研究人员发现敲低 FMRP 后，慢性缺氧条件下糖酵解限速酶的 mRNA 表达水平不再增加，而敲低 IGF2BP2 则没有这种效果，这表明 FMRP 而非 IGF2BP2 参与了慢性缺氧条件下糖酵解限速酶 mRNA 的稳定过程。进一步研究发现，FMRP 在慢性缺氧下与 mRNA 的结合增加，但其蛋白水平并未改变，提示 FMRP 与 mRNA 的结合可能受翻译后机制调控。

综合研究结论和讨论部分，此次研究具有重要意义。研究人员成功开发了一种量化 RNA 合成和降解对差异基因表达贡献的方法，揭示了慢性缺氧下糖酵解的增强是通过 RNA 稳定性的改变来调控的，并且发现 FMRP 在其中发挥了关键作用。这一发现不仅为深入理解细胞在慢性缺氧环境下的适应机制提供了重要依据，还可能为癌症治疗策略和药物的开发提供新的靶点和思路，有助于推动生命科学和健康医学领域的进一步发展。