线粒体甲基化酶SMYD5参与代谢调控的机制研究

Methylation is an important post-translational modification, believed to occur in a variety of cellular proteins. To date, while histone lysine methylation has been extensively investigated in epigenetics, non-histone lysine methylation has not been well studied due to technical limitations. SMYD family of lysine methylases have been reported to methylate several non-histone protein substrates, and shown to be involved in tumorigenesis. In this study, we demonstrate that the majority of SMYD5 protein localizes to mitochondria, suggesting that it methylates certain non-histone protein(s) yet to be discovered. Further analyses reveal that its methylase activity is required for proper levels of mitochondrial respiration and glycolysis. We also have investigated SMYD5 expression pattern in paired liver tumor and paratumor samples, and found elevated expression of SMYD5 in tumor samples. Based on these lines of evidence, we hypothesize that SMYD5 regulates cellular metabolism through methylating certain mitochondrial protein substrate(s). In this study, we propose to: 1) identify its mitochondrial protein substrate(s) through mass spectrometry approach so to further reveal the underlining connection to metabolism; 2) examine whether SMYD5 and its substrate(s) are required for the tumorigenesis of liver cancer. The completion of this study will not only provide potential therapeutic target through manipulating metabolism but also advance our understanding of the biological significance of protein methylation.

甲基化被认为是一种重要的翻译后修饰，可发生在多类蛋白质中。前期的相关研究主要集中在组蛋白甲基化领域，而非组蛋白甲基化研究的报道还较少见。已有报道发现SMYD家族甲基化酶的多种非组蛋白底物，并在癌症发生中发挥了重要功能。本项目前期结果发现，甲基化酶SMYD5定位于线粒体中，提示其催化底物是未知的非组蛋白。进一步分析发现，SMYD5参与线粒体呼吸和细胞糖代谢调控并依赖于其甲基化酶活。同时，我们还发现SMYD5高表达于肝癌组织，提示其可能参与肝癌细胞的生长。据此，我们推测：SMYD5通过催化某种线粒体蛋白的甲基化以发挥其代谢调控功能。本项目拟通过生化和质谱学方法明确SMYD5在线粒体中的底物蛋白，阐明其参与代谢调控的分子机制，以及是否通过代谢调控参与肝癌发生。现有研究还鲜见甲基化酶直接参与调控线粒体代谢的报道，此项研究不仅可提供潜在的肝癌治疗靶点，还将拓展我们对甲基化修饰的生物学意义的理解。

本项目申请时是以甲基化酶SMYD5为研究目标，探究其未知的分子调控机制以及生物学功功能。研究中，我们证实了SMYD5是一类未知的核糖体甲基化转移酶，对于细胞能量代谢调控十分重要，且在多类肿瘤中显著上调。虽然以SMYD5为主的研究还未发表，但我们已经明确了其底物以及细胞学功能，正在完成小鼠肿瘤模型方面的表型，具体见研究成果。有望在近期完成投稿。..我们同时还开展了多项未知甲基化酶的机制和功能研究。在METTL17的研究中，我们发现METTL17定位于线粒体，与线粒体核糖体小亚基12S m4C的甲基化水平。通过促进线粒体编码基因的翻译调控线粒体氧化呼吸能力以及小鼠ESC的多能性。..近期，我们还发现并证实核糖体18S m6A甲基化酶METTL5对于细胞翻译和肿瘤细胞生长的重要性。采用线虫模型，我们发现METTL5缺失可导致线虫寿命延长以及耐热性提高，暗示METTL5在抗衰老以耐压方面的潜在应用前景。..在项目的支持下，我们针对多类此前为研究清楚的甲基化酶开展的研究，并发现了多类核糖体甲基化酶，底物既有核糖体蛋白也有核糖体RNA，揭示了核糖体的甲基化调控的广泛性和生物学功能的重要性。实验室还有多项课题正在推进中，有望在这一领域中前期未得到足够关注的方面做出一系列原创性成果。在国际知名期刊，包括Cell Reports，FASEB J，Protein&Cell，Blood Advances和Oncogene上，发表论文5篇，培养博士生5名。