METTL3介导的动脉粥样硬化血流诱导内皮细胞糖酵解
一、研究背景
动脉粥样硬化（atherosclerosis）是心血管疾病的主要病理基础，其发生与血管内皮细胞（endothelial cells, ECs）功能紊乱密切相关。血流动力学因素在动脉粥样硬化的区域选择性中起关键作用：振荡剪切应力（oscillatory shear stress, OS）（如血管分叉处）促进斑块形成，而脉动剪切应力（pulsatile shear stress, PS）（如直血管段）具有保护作用。近年研究发现，ECs在OS作用下会出现代谢重编程（metabolic reprogramming），表现为糖酵解（glycolysis）增强，但具体分子机制尚未阐明。
表观转录组学（epitranscriptomics）领域发现，RNA的m6A甲基化修饰（N6-methyladenosine modification）可通过调控mRNA稳定性、剪接和翻译效率影响细胞功能。METTL3作为核心的m6A甲基转移酶（”writer”），已被证实参与炎症反应，但其在EC代谢调控中的作用仍是空白。本研究首次揭示METTL3如何通过m6A修饰糖酵解相关基因（HK1/PFKFB3/GCKR）介导OS诱导的EC糖酵解亢进，并发现降糖药物SGLT2抑制剂（empagliflozin）可通过抑制METTL3发挥心血管保护作用。
二、论文来源
本论文由中美多机构合作完成，通讯作者为University of California, San Diego的Shu Chien教授和John Y-J Shyy教授团队，第一作者为Zhengzhou University的Guo-Jun Zhao和UC San Diego的So Yun Han。研究于2025年5月6日发表于《PNAS》（Volume 122, Issue 19），论文标题为《METTL3 mediates atheroprone flow–induced glycolysis in endothelial cells》。
三、研究流程与结果
1. 剪切力调控糖酵解基因的表达谱分析
实验设计：
- 通过分析GSE103672数据集（人脐静脉内皮细胞HUVEC暴露于OS/PS 48小时的RNA-seq数据）
- 小鼠颈动脉部分结扎模型单细胞RNA-seq（scRNA-seq）数据（n=6/组）
关键发现：
- OS显著上调HK1、PFKFB3、ENO1等糖酵解基因（log2FC>1.5，P<0.01）
- 结扎侧颈动脉（低剪切力区）ECs中HK2/PFKFB3表达较对照侧高2-3倍
技术亮点：
采用生物信息学交叉验证策略，结合体外流体剪切系统与体内动脉结扎模型数据。
2. METTL3在糖酵解调控中的功能验证
实验体系：
- 基因干预：siRNA敲低METTL3 vs 过表达野生型/催化突变体（APPA）
- 功能检测：Seahorse细胞能量代谢分析仪（ECAR值）、乳酸测定
结果：
- METTL3敲除使OS诱导的糖酵解速率（ECAR）降低40%（P<0.01）
- 乳酸产量同步下降35%（n=6，P<0.05）
- Western blot显示：METTL3敲除使HK1/PFKFB3蛋白降低50-60%，GCKR升高2倍
机制验证：
- m6A-RIP-qPCR证实OS增加HK1/PFKFB3/GCKR mRNA的3’UTR区m6A修饰
- 过表达m6A去甲基化酶FTO可逆转OS的代谢调控效应
3. SGLT2抑制剂的作用机制探索
药理实验：
- 使用empagliflozin（10 μM，24小时处理）
- 结合METTL3过表达挽救实验
发现：
- empagliflozin降低METTL3蛋白（非mRNA）水平达60%
- 糖酵解关键酶表达变化与METTL3敲除表型一致
- METTL3过表达可抵消empagliflozin的抑制作用
技术创新：
首次建立剪切力-表观转录-药物干预的跨尺度研究模型。
4. 体内代谢成像验证
方法学突破：
- 开发基于受激拉曼散射（stimulated Raman scattering, SRS）的葡萄糖代谢示踪技术
- 使用氘代葡萄糖（D7-glucose）标记新生脂质合成
动物实验：
- EC特异性METTL3敲除小鼠（n=7）vs 野生型（n=9）
- 3%D7-glucose饮水2周后检测主动脉弓（atheroprone）与胸主动脉（atheroprotective）区域
关键数据：
- 野生型小鼠主动脉弓区CD/CH比值（脂质合成指标）较胸主动脉高2.1倍（P<0.01）
- METTL3敲除使该差异消失
- NADH/黄素比值（氧化还原指标）同步正常化
四、研究结论与价值
科学发现：
1. 阐明OS-METTL3-m6A-HK1/PFKFB3/GCKR轴是EC糖酵解调控的核心机制
2. 揭示SGLT2抑制剂心血管获益的新表观遗传学途径
临床意义：
- 为动脉粥样硬化的区域选择性提供代谢-力学耦合解释
- 提出METTL3作为心血管-代谢综合征的潜在治疗靶点
方法论贡献：
- 建立SRS成像技术用于血管代谢研究
- 开发m6A位点预测算法（SRAMP）的生物学应用新场景
五、研究亮点
- 创新性机制：首次将剪切力机械信号、m6A表观调控与代谢重编程三者耦联
- 转化医学价值：发现empagliflozin通过METTL3非经典途径发挥作用
- 技术整合：结合单细胞测序、SRS活体成像等多组学技术
- 动物模型：构建EC特异性METTL3敲除小鼠验证临床相关性
六、展望
作者指出未来需进一步探究：
- METTL3蛋白稳定性调控的具体分子机制
- 其他剪切力敏感型m6A”reader”蛋白的参与方式
- SGLT2抑制剂对非糖尿病动脉粥样硬化的预防潜力