N6-Methyladenosine (m6A) represents the most prevalent internal modification in mammalian mRNAs. Despite its functional importance in various fundamental bioprocesses, the studies of m6A in cancer have been limited. Here we show that FTO, as an m6A demethylase, plays a critical oncogenic role in acute myeloid leukemia (AML). FTO is highly expressed in AMLs with t(11q23)/MLL rearrangements, t(15;17)/PML-RARA, FLT3-ITD, and/or NPM1 mutations. FTO enhances leukemic oncogene-mediated cell transformation and leukemogenesis, and inhibits all-trans-retinoic acid (ATRA)-induced AML cell differentiation, through regulating expression of targets such as ASB2 and RARA by reducing m6A levels in these mRNA transcripts. Collectively, our study demonstrates the functional importance of the m6A methylation and the corresponding proteins in cancer, and provides profound insights into leukemogenesis and drug response.

Summary

 R-2-hydroxyglutarate (R-2HG), produced at high levels by mutant isocitrate dehydrogenase 1/2 (IDH1/2) enzymes, was reported as an oncometabolite. We show here that R-2HG also exerts a broad anti-leukemic activity in vitro and in vivo by inhibiting leukemia cell proliferation/viability and by promoting cell-cycle arrest and apoptosis. Mechanistically, R-2HG inhibits fat mass and obesity-associated protein (FTO) activity, thereby increasing global N⁶-methyladenosine (m⁶A) RNA modification in R-2HG-sensitive leukemia cells, which in turn decreases the stability of MYC/CEBPA transcripts, leading to the suppression of relevant pathways. Ectopically expressed mutant IDH1 and S-2HG recapitulate the effects of R-2HG. High levels of FTO sensitize leukemic cells to R-2HG, whereas hyperactivation of MYC signaling confers resistance that can be reversed by the inhibition of MYC signaling. R-2HG also displays anti-tumor activity in glioma. Collectively, while R-2HG accumulated in IDH1/2 mutant cancers contributes to cancer initiation, our work demonstrates anti-tumor effects of 2HG in inhibiting proliferation/survival of FTO-high cancer cells via targeting FTO/m⁶A/MYC/CEBPA signaling.

N

Summary

 FTO, an mRNA N⁶-methyladenosine (m⁶A) demethylase, was reported to promote leukemogenesis. Using structure-based rational design, we have developed two promising FTO inhibitors, namely FB23 and FB23-2, which directly bind to FTO and selectively inhibit FTO's m⁶A demethylase activity. Mimicking FTO depletion, FB23-2 dramatically suppresses proliferation and promotes the differentiation/apoptosis of human acute myeloid leukemia (AML) cell line cells and primary blast AML cells in vitro. Moreover, FB23-2 significantly inhibits the progression of human AML cell lines and primary cells in xeno-transplanted mice. Collectively, our data suggest that FTO is a druggable target and that targeting FTO by small-molecule inhibitors holds potential to treat AML.

FTO, the first RNA demethylase discovered, mediates the demethylation of internal N6-methyladenosine (m6A) and N6, 2-O-dimethyladenosine (m6Am) at the +1 position from the 5' cap in mRNA. Here we demonstrate that the cellular distribution of FTO is distinct among different cell lines, affecting the access of FTO to different RNA substrates. We find that FTO binds multiple RNA species, including mRNA, snRNA, and tRNA, and can demethylate internal m6A and cap m6Am in mRNA, internal m6A in U6 RNA, internal and cap m6Am in snRNAs, and N1-methyladenosine (m1A) in tRNA. FTO-mediated demethylation has a greater effect on the transcript levels of mRNAs possessing internal m6A than the ones with cap m6Am in the tested cells. We also show that FTO can directly repress translation by catalyzing m1A tRNA demethylation. Collectively, FTO-mediated RNA demethylation occurs to m6A and m6Am in mRNA and snRNA as well as m1A in tRNA.

DNA and histone modifications have notable effects on gene expression1. Being the most prevalent internal modification in mRNA, the N6-methyladenosine (m6A) mRNA modification is as an important post-transcriptional mechanism of gene regulation2-4 and has crucial roles in various normal and pathological processes5-12. However, it is unclear how m6A is specifically and dynamically deposited in the transcriptome. Here we report that histone H3 trimethylation at Lys36 (H3K36me3), a marker for transcription elongation, guides m6A deposition globally. We show that m6A modifications are enriched in the vicinity of H3K36me3 peaks, and are reduced globally when cellular H3K36me3 is depleted. Mechanistically, H3K36me3 is recognized and bound directly by METTL14, a crucial component of the m6A methyltransferase complex (MTC), which in turn facilitates the binding of the m6A MTC to adjacent RNA polymerase II, thereby delivering the m6A MTC to actively transcribed nascent RNAs to deposit m6A co-transcriptionally. In mouse embryonic stem cells, phenocopying METTL14 knockdown, H3K36me3 depletion also markedly reduces m6A abundance transcriptome-wide and in pluripotency transcripts, resulting in increased cell stemness. Collectively, our studies reveal the important roles of H3K36me3 and METTL14 in determining specific and dynamic deposition of m6A in mRNA, and uncover another layer of gene expression regulation that involves crosstalk between histone modification and RNA methylation.

Summary

 Fat mass and obesity-associated protein (FTO), an RNA N⁶-methyladenosine (m⁶A) demethylase, plays oncogenic roles in various cancers, presenting an opportunity for the development of effective targeted therapeutics. Here, we report two potent small-molecule FTO inhibitors that exhibit strong anti-tumor effects in multiple types of cancers. We show that genetic depletion and pharmacological inhibition of FTO dramatically attenuate leukemia stem/initiating cell self-renewal and reprogram immune response by suppressing expression of immune checkpoint genes, especially LILRB4. FTO inhibition sensitizes leukemia cells to T cell cytotoxicity and overcomes hypomethylating agent-induced immune evasion. Our study demonstrates that FTO plays critical roles in cancer stem cell self-renewal and immune evasion and highlights the broad potential of targeting FTO for cancer therapy.

Acute lymphoblastic leukemia (ALL) is the most common childhood cancer, whereas acute myeloid leukemia (AML) is the most common acute leukemia in adults. In general, ALL has a better prognosis than AML. To understand the distinct mechanisms in leukemogenesis between ALL and AML and to identify markers for diagnosis and treatment, we performed a large-scale genome-wide microRNA (miRNA, miR) expression profiling assay and identified 27 miRNAs that are differentially expressed between ALL and AML. Among them, miR-128a and -128b are significantly overexpressed, whereas let-7b and miR-223 are significantly down-regulated in ALL compared with AML. They are the most discriminatory miRNAs between ALL and AML. Using the expression signatures of a minimum of two of these miRNAs resulted in an accuracy rate of >95% in the diagnosis of ALL and AML. The differential expression patterns of these four miRNAs were validated further through large-scale real-time PCR on 98 acute leukemia samples covering most of the common cytogenetic subtypes, along with 10 normal control samples. Furthermore, we found that overexpression of miR-128 in ALL was at least partly associated with promoter hypomethylation and not with an amplification of its genomic locus. Taken together, we showed that expression signatures of as few as two miRNAs could accurately discriminate ALL from AML, and that epigenetic regulation might play an important role in the regulation of expression of miRNAs in acute leukemias.

Gastric cancer causes nearly one million deaths worldwide per year. Although Helicobacter pylori infection is the main risk factor, in about 80% or more of gastric cancers, the molecular pathway underlying H. pylori infection leading to the development of gastric cancers remains unclear. Recently accumulating evidence suggests that microRNAs (miRNAs) may regulate diverse biological processes and may be important in tumorigenesis. miR-21 has been frequently observed to be aberrantly overexpressed in various tumors. Using TaqMan quantitative real-time PCR, we confirmed that miR-21 was significantly overexpressed in human gastric cancer tissues and cell lines. Remarkably, miR-21 was also significantly overexpressed in H. pylori-infected gastric mucosa, implying that overexpression of miR-21 in gastric cancer may be due in part to H. pylori infection. More importantly, we showed that forced expression of miR-21 significantly enhanced cell proliferation and invasion in AGS cells, a human gastric cancer cell line, whereas knockdown of miR-21 by inhibitor caused a significant reduction in cell proliferation and a significant increase in apoptosis. Furthermore, we demonstrated that knockdown of miR-21 significantly decreased cell invasion and migration of AGS cells. Finally, we showed that RECK, a known tumor suppressor in gastric cancer, is a bona fide target of miR-21. Taken together, miR-21 may be important in the initiation and progression of gastric cancers as an oncomiR, likely through regulating RECK. Our findings suggest a potential regulatory pathway in which H. pylori infection upregulates expression of miR-21, which in turn downregulates RECK, and then leads to the development of gastric cancer.