慢性缺氧下 FMRP 调控 HCT116 细胞糖酵解基因表达的机制及意义

在慢性缺氧研究中，为明确基因表达调控机制，研究人员以 HCT116 细胞为对象，开展了关于 RNA 合成与降解对基因表达影响的研究。结果发现 102 个基因主要受 RNA 降解调控，且与糖酵解有关，还确定 FMRP 参与调控。这为理解慢性缺氧细胞调控机制提供新视角。

　　在细胞的世界里，氧气就如同生命的 “燃料”，为细胞的正常运转提供能量。然而，当氧气供应不足，也就是出现缺氧（Hypoxia）的情况时，细胞就会陷入 “能源危机”。在生理状态下，胚胎发育需要在低氧环境中进行；而在病理状态下，肿瘤的快速生长会使内部出现缺氧区域，还会导致慢性心、肾疾病和心血管疾病等。

为了应对缺氧危机，细胞发展出了多种机制。其中，缺氧诱导因子（HIF）对转录模块的调控是一种被广泛研究的缺氧反应机制。不过，以往研究大多聚焦于急性缺氧，对于慢性缺氧（持续数天）的反应机制，科学界还知之甚少。而且，虽然转录后调控（如 RNA 稳定性）在急性缺氧反应中有所涉及，但在慢性缺氧下，通过 RNA 降解等转录后机制调控基因表达的情况仍不明确。

为了解开这些谜团，来自日本东京大学等机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Scientific Reports》上，为我们理解细胞在慢性缺氧环境下的调控机制提供了重要线索。

研究人员运用了多种关键技术方法来开展研究。他们利用 SLAM-seq 技术，实现了对 HCT116 细胞在慢性缺氧状态下 RNA 合成和降解速率的同时量化；借助 eRIC-MS 技术，研究人员得以研究慢性缺氧下 mRNA 与单个 RNA 结合蛋白（RBP）的结合变化情况；此外，还通过功能富集分析、基因集富集分析（GSEA）等方法，深入探究了相关基因和蛋白的功能。

研究结果如下：

1. 慢性缺氧对 HCT116 细胞的影响：研究人员培养 HCT116 细胞并使其处于缺氧状态（1% O₂），观察发现 HIF1α 蛋白水平在缺氧 4 小时后升高，随后在 48 小时内下降。RNA 水平方面，早期缺氧反应因子 GLUT1 和 CA9 的 RNA 水平持续上升，慢性缺氧反应因子 MMP124 的 RNA 水平在 48 小时时才升高 。通过主成分分析（PCA），研究人员确定细胞在缺氧 24 - 48 小时达到稳态，因此将 36 小时的缺氧处理定义为慢性缺氧。
2. RNA 合成和降解速率的计算：利用 SLAM-seq 技术，研究人员用 4 - 硫尿苷（4sU）标记新合成的转录本，通过一系列反应和检测，计算出 RNA 合成速率（k_s）和降解速率（k_d）。他们发现，在所有样本中检测到大量的测序读数，且多数读数能单独比对到参考基因组上。最终，成功计算出常氧和缺氧样本中众多 RNA 的合成和降解速率，这些速率服从对数高斯分布，且二者之间无相互关联。
3. RNA 降解对基因表达的调控：研究人员通过设定阈值，鉴定出 1330 个在慢性缺氧中差异表达的 RNA。进一步分析发现，102 个 RNA 的差异表达主要受 RNA 降解调控（ρ_d>60%），且这些 RNA 在慢性缺氧中的表达增加往往是由于 RNA 的稳定化。功能富集分析和 GSEA 分析表明，主要受 RNA 降解调控的差异表达 RNA 显著富集于糖酵解过程。这意味着，在慢性缺氧条件下，RNA 降解在调控糖酵解相关基因表达中起着关键作用。
4. 确定参与慢性缺氧调控的 RBP：研究人员利用 eRIC-MS 技术，鉴定出在慢性缺氧下与 poly（A）尾 mRNA 结合发生变化的 RBP。通过整合数据库和 SLAM-seq 数据进行超几何检验，发现 IGF2BP2 和 FMRP 这两个 RBP 可能调节糖酵解 mRNA 的稳定性。后续的敲低实验表明，FMRP 而非 IGF2BP2 参与了慢性缺氧条件下糖酵解限速酶 mRNA 的稳定化过程。进一步研究发现，FMRP 结合 mRNA 的活性在慢性缺氧下增强，且这种增强是通过翻译后机制实现的。

研究结论和讨论部分指出，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。他们发现，在 HCT116 细胞适应慢性缺氧的过程中，糖酵解的增强是通过 mRNA 稳定性的调节实现的，而 FMRP 在其中起到了重要作用。FMRP 是一种与脆性 X 综合征相关的 RBP，以往研究表明它在神经元发育和多种病理缺氧条件下发挥作用，本研究揭示了它在慢性缺氧下调节 RNA 稳定性的新功能。此外，该研究还强调了转录和 RNA 降解之间的紧密联系，为深入理解细胞在病理和生理现象中的行为提供了新的视角。这一研究成果对于开发癌症治疗策略和相关药物具有重要的指导意义，有望为未来的医学研究和临床治疗开辟新的方向。