動脈粥樣硬化易發性血流誘導的內皮細胞（EC）功能障礙在動脈粥樣硬化的發生和進展中起關鍵作用。在這樣的血流環境下，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 效應的糖酵解增加構成了 EC 功能障礙的一部分，導致動脈粥樣硬化形成。

N6-甲基腺苷（m6A）是真核生物中最豐富的 RNA 轉錄后修飾。研究表明，m6A RNA 修飾廣泛參與 EC 生物學和疾病。甲基轉移酶3（METTL3），一種主要的 m6 甲基轉移酶，與多種細胞功能和疾病過程有關，包括糖酵解。METTL3 和 RNA m6A 修飾由 ECs 中的振蕩剪切應力（OS，模擬動脈粥樣硬化易發性血流）誘導，說明 METTL3 在連接機械轉導與 EC 功能障礙之間起著關鍵作用。然而，METTL3 是否參與 OS 誘導的 ECs 糖酵解仍不清楚。

心血管藥物可以通過類似于脈動剪切應力（PS，動脈粥樣硬化保護性血流）介導的分子機制發揮 EC 保護作用。例如，鈉-葡萄糖協同轉運蛋白2抑制劑（SGLT2i）是 FDA 批準的治療糖尿病的藥物，通過抑制糖酵解對 EC 生物學和動脈粥樣硬化顯示出深遠的有益作用。然而，SGLT2i 對 EC 糖酵解的抑制是否是通過 METTL3 調控的轉錄組介導仍有待確定。

最近，美國加州大學圣地亞哥分校心臟病學系、生物工程系及希望之城貝克曼研究所糖尿病并發癥和代謝系團隊的一項研究驗證了動脈粥樣硬化易發性血流上調 METTL3 以介導 ECs 中糖酵解基因 m6A 修飾，從而導致 EC 功能障礙的假設。研究成果發表于 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 數據（GSE103672）。與 PS 相比，OS 上調了大多數參與糖酵解的酶，如 HK1 和 2、PFKFB3、ENO1 和 LDHB（圖1 A）。從小鼠部分頸動脈結扎實驗獲得的數據也表明，糖酵解基因（包括 Hk2、Pfkfb3、Eno1 和 ldhb）在部分結扎的左頸動脈（LCA，紊亂血流區）中也上調（圖1 B）。對已發表的轉錄組學數據的分析表明，OS 至少在 mRNA 水平上部分上調糖酵解基因。

隨后，敲低 METTL3，將這些 ECs 置于 OS 中。細胞外酸化率（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（圖1 E、F）。這些結果表明，OS 增強的 EC 糖酵解是通過 METTL3 調控 HK1、PFKFB3 和 GCKR 實現的。

圖1 OS 通過 METTL3 增加糖酵解。

研究人員進一步調查了 OS 誘導的糖酵解基因的 m6A 修飾。根據 eCLIP-seq 數據，證實 OS 誘導了 HK1、PFKFB3 和 GCKR 的 m6A 修飾。之前的研究表明，OS 激活的 METTL3 通過在其靶基因的3’非翻譯區（3’UTR）附近誘導 m6A 位點高甲基化。因此，通過 SRAMP 算法來預測HK1、PFKFB3 和 GCKR mRNA 的 3’UTR 高置信度 m6A 位點（圖2 A），并通過 m6A - RNA-免疫沉淀（m6A-RNA-IP）qPCR 實驗驗證。

正如預期，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 的互補實驗中，過表達野生型（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 和蛋白質水平增加，但 GCKR 水平降低（圖2 D、E）。此外，過表達 m6A 去甲基化酶 FTO 顯著抑制 OS 上調的 HK1 和 PFKFB3 并逆轉 OS 下調的 GCKR（圖2 F、G）。這些結果表明，剪切應力對 HK、PFKFB3 和 GCKR 的調控是通過 METTL3 介導的 m6A 修飾實現的。

圖2 剪切應力通過 m6A 修飾調節糖酵解基因。

由于 SGLT2 是糖酵解的正調節因子，接下來研究了 SGLT2i 是否可以作為 PS 通過抑制 METTL3 來減輕 EC 糖酵解。用恩格列凈（EMPA，一種SGLT2i）處理 ECs，發現其顯著降低了 METTL3 的蛋白水平，而對其 mRNA 水平影響不大。隨著 METTL3 水平降低，HK1 和 PFKFB3 的表達也降低，GCKR 的表達增加。當過表達 METTL3 時，EMPA 對這些糖酵解基因的影響被逆轉。ECAR 和乳酸產生測定表明，EMPA 降低了 EC 糖酵解，而 METTL3 過表達逆轉了這一點。這些數據表明，以 EMPA 為代表的 SGLT2i 通過下調 METTL3 減弱 EC 糖酵解。

利用離體主動脈弓（AA）和胸動脈（TA）內膜分別代表動脈粥樣硬化易發性血流和動脈粥樣硬化保護血流下的血管段（圖3 A）。qPCR 分析證實，與 TA 內膜相比，AA 內膜中的 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 內膜中 Hk1、Pfkfb3 和 Gckr 的表達水平發生了逆轉（圖3 C）。這些結果表明，METTL3 在體內介導動脈粥樣硬化易發性血流誘導的糖酵解。

圖3 體內動脈粥樣硬化易發性血流通過 METTL3 增加糖酵解。

使用 D7-葡萄糖（D7-glu）標記的 ECs 進行實驗以評估 METTL3 在血流下調節 EC 代謝的作用。用 METTL3 或 siMETTL3 轉染 ECs 并暴露于 PS 或 OS。在 OS 下，ECs 的 CD 信號（代表新合成的脂質來源于攝取的 D7-glu）顯著升高，并且被 siMETTL3 消除。另一方面，過表達 METTL3 的 ECs 在 PS 下顯示 CD 信號增加。這些結果表明，METTL3 增加了來源于攝取的 D7-glu 衍生的新合成脂質（圖3 D）。

進一步研究轉基因 Mettl3 小鼠血管壁上的葡萄糖代謝物，對 EC-Mettl3−/− 和 WT 小鼠飼喂含 3% D7-glu 的水 2 周并監測體內葡萄糖代謝。受激拉曼散射顯微成像（SRS）顯示，與動脈粥樣硬化保護性 TA 區域相比，動脈粥樣硬化易發性 AA 區域的 CD/CH 比率（反映 D7-glu 摻入新合成脂質的情況）較高，表明 AA 中 D7-glu 摻入新合成的脂質增加（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），表明動脈粥樣硬化易感區域的分解代謝增加。然而，這些代謝水平的升高在 Mettl3 敲除小鼠中受到抑制。這些數據表明，動脈粥樣硬化易發性血流通過 METTL3 介導的機制在體外和體內升高葡萄糖攝取和代謝。

圖4 示意圖顯示動脈粥樣硬化易發性血流通過 METTL3 增加 ECs 中的糖酵解。

總之，該研究揭示了動脈粥樣硬化易發性血流通過誘導 METTL3 促進 EC 糖酵解的機制。另一方面，動脈粥樣硬化保護性血流和 SGLT2i 通過抑制HK1、PFKFB3 和 GCKR的 METTL3-m6A 修飾來抑制糖酵解。這些發現通過將轉錄狀態與代謝調節聯系起來，增強了我們對 EC 生物學在健康和疾病中的理解。

參考文獻：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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