DDX1甲基化通过调控MATR3可变剪接引发染色质重编程促进椎间盘退变的机制研究

本研究针对椎间盘退变(IVDD)导致的腰背痛这一重大公共卫生问题，揭示了EZH2介导的RNA结合蛋白DDX1在K234位点的甲基化通过调控MATR3的可变剪接(AS)，进而影响染色质可及性并促进髓核(NP)细胞衰老和凋亡的分子机制。研究人员发现甲基化修饰的DDX1减弱了与剪接因子的相互作用，导致MATR3外显子14跳跃产生短异构体(MATR3-S)，后者通过异常激活Wnt/β-catenin等信号通路加速IVDD进程。创新性地采用阳离子脂质纳米颗粒(LNPs)递送MATR3-L mRNA可有效缓解退变，为IVDD治疗提供了新策略。

　　

腰背痛作为工业化国家第二大就诊原因，约40%病例与椎间盘退变(IVDD)相关。随着人口老龄化加剧，IVDD已成为全球性健康挑战。椎间盘微环境中的髓核(NP)细胞在退变过程中表现出典型的衰老特征，包括细胞外基质(ECM)合成减少、分解代谢增强等表型变化。尽管表观遗传调控在IVDD中的作用已被广泛关注，但RNA结合蛋白(RBP)通过翻译后修饰(PTM)调控可变剪接(AS)进而影响染色质状态的分子机制仍属未知。这项发表在《Nature Communications》的研究，由华中科技大学同济医学院的研究团队完成，首次揭示了EZH2介导的DDX1甲基化通过MATR3剪接变异调控染色质可及性的新机制，为IVDD治疗提供了新的靶点和干预策略。

研究采用多组学联用技术：通过LC-MS/MS鉴定DDX1 K234me1修饰；建立针刺诱导的大鼠IVDD模型进行体内验证；运用RNA-seq和RIP-seq分析甲基化DDX1的RNA结合特征；采用ATAC-seq检测MATR3异构体对染色质可及性的影响；最后开发基于微流控技术的阳离子脂质纳米颗粒(LNPs)递送MATR3-L mRNA的治疗方案。人类NP样本来自24例接受脊柱手术的志愿者，按Pfirrmann分级分为退化与非退化组。

【K234甲基化DDX1在IVDD进程中增加】
质谱分析发现退化NP组织中DDX1 K234位点存在单甲基化修饰(DDX1 K234me1)，该位点在物种间高度保守。TBHP诱导的氧化应激模型中，甲基化水平显著升高。通过构建K234R(模拟非甲基化)和K234M(模拟甲基化)突变体，证实甲基化修饰促进NP细胞ECM降解和退变表型。大鼠体内实验显示，shDDX1可缓解椎间盘高度丢失和水含量下降，而回补DDX1 WT非K234R突变体则加重退变。

【DDX1与EZH2相互作用并被K234甲基化】
Co-IP联合质谱鉴定出EZH2是DDX1的关键甲基转移酶。EZH2在退化NP组织中表达上调，与DDX1存在核内共定位。体外实验证实EZH2过表达增强DDX1甲基化，而敲低则相反。值得注意的是，K234R突变不影响EZH2-DDX1相互作用，表明EZH2特异性催化K234位点甲基化。

【DDX1甲基化促进细胞衰老和凋亡】
转录组分析显示，DDX1 K234M组衰老和凋亡相关基因(AIFM1、TNFRSF10A等)显著富集。流式细胞术证实甲基化促进TBHP诱导的NP细胞凋亡，SA-β-gal染色显示衰老表型增强。Western blot显示甲基化DDX1上调CASP3和Bax，下调Bcl-2表达。

【甲基化导致DDX1 RNA结合位点减少】
RIP-seq揭示甲基化DDX1结合转录本数量减少约2000个，特别是在外显子-内含子交界区域。Motif分析发现DDX1偏好结合AGUGGAA序列，81.5%位于外显子/内含子区。GO分析表明靶基因主要参与DNA损伤修复和细胞周期调控。

【甲基化DDX1减少剪接因子招募并促进MATR3外显子14跳跃】
AS分析显示甲基化DDX1主要引起外显子跳跃(SE)事件。整合分析鉴定出MATR3是直接靶标，其外显子14跳跃产生短异构体(MATR3-S)。IP-MS显示甲基化减弱DDX1与剪接因子(HNRNPA2B1、SF3B2等)的相互作用，但不影响其解旋酶活性。

【MATR3-S通过过度染色质可及性触发衰老相关区域激活】
ATAC-seq显示MATR3-S使染色质可及性增加，特别是Wnt信号通路相关区域(CTNNB1、WNT2/3等)。相反，MATR3-L维持染色质紧缩状态。网络分析揭示MATR3-S异常激活Wnt/β-catenin和MAPK通路，同时抑制细胞周期相关基因(CDK1等)。

【阳离子LNP递送MATR3-L mRNA缓解IVDD】
基于微流控制备的LNPs能有效封装MATR3-L mRNA(粒径193.73±10.30 nm)。体内实验证实MATR3-L-LNPs可维持椎间盘高度和水含量，减少ECM降解，效果显著优于MATR3-S-LNPs组。免疫荧光显示MATR3-L-LNPs降低P21表达，增加胶原II阳性细胞。

这项研究首次阐明EZH2-DDX1-MATR3轴通过调控染色质可及性驱动IVDD的新机制：EZH2上调催化DDX1 K234甲基化，削弱其招募剪接因子的能力，导致MATR3外显子14跳跃；产生的MATR3-S异构体引发全基因组染色质可及性异常，激活衰老和凋亡信号通路。研究创新点在于：发现DDX1甲基化调控AS的新功能；揭示MATR3异构体通过表观遗传调控影响细胞命运；开发LNPs递送mRNA的精准治疗策略。该成果不仅深化了对IVDD分子机制的理解，也为其他年龄相关退行性疾病的治疗提供了新思路。