核糖核酸(ribonucleicacid,RNA)是脱氧核糖核酸(deoxyribonucleicacid,DNA)的转录产物,是将DNA上的遗传信息翻译为蛋白质的桥梁。RNA成熟过程中需要多种酶对其进行化学修饰,迄今为止,RNA碱基上检测到的化学修饰已超过150种,其中1974年首次被发现的N6-甲基腺嘌呤(N6-methyladenosine,m6A)是mRNA上最常见的化学修饰形式[1]。随着检测技术的进步,在多种类型RNA,包括转运RNA(transferRNA,tRNA)、核糖体RNA(ribosomeRNA,rRNA)、非编码RNA(non-codingRNA,ncRNA)等[2]中都检测到m6A的存在。

代谢性疾病是由体内蛋白质、葡萄糖和脂质代谢紊乱等引起的一类慢性炎症疾病。研究发现,m6A甲基化通过调节糖、脂质代谢和胰岛素抵抗(insulinresistance,IR)[3]及其相关的慢性炎症过程,在肥胖症、2型糖尿病(type2diabetesmellitus,T2DM)、冠心病等代谢性疾病的发生发展过程中扮演着重要角色,提示m6A甲基化修饰可能是代谢性疾病调控的新靶点,然而其具体的作用机制尚有待阐明。本文拟从m6A甲基化的形成、去除以及其在代谢性疾病中的作用做一综述,并从RNA修饰的角度为代谢性疾病的防治提供新的思路和理论依据。

1、m6A甲基化

m6A甲基化主要发生在3′非翻译区(3′-untranslatedregion,UTR)和mRNA的终止密码子附近[4]。m6A修饰以S-腺苷甲硫氨酸(S-adenosylmethionine,SAM)为甲基供体,由甲基转移酶复合物肾母细胞瘤1相关蛋白(wilmstumor1-associatedprotein,WTAP)/甲基化转移酶3(methyltransferase-likeprotein3,METTL3)/甲基化转移酶14(methyltransferase-likeprotein14,METTL14)等(即m6A“编写器”)催化,被去甲基化酶ALKBH5及脂肪和肥胖相关蛋白(fatmassandobesityassociatedprotein,FTO)(即m6A“擦除器”)在Fe2+、α-酮戊二酸辅助下去除,并被含有YTH结构域的m6A“读码器”YTHDF2、YTHDF1、YTHDC1等识别。

1.1m6A“编写器”

1.1.1WTAP/METTL3/METTL14复合物

METTL3与SAM结合,是m6A甲基转移酶复合物的主要催化组分,METTL14可提供结合底物的平台,激活并增强METTL3的催化活性,WTAP则负责将METTL3/METTL14复合物招募到细胞核内的核小斑处发挥甲基化修饰功能。

1.1.2其他“编写器”

KIAA1429(又称Virilizer)是m6A甲基转移酶复合物中具有催化活性的关键蛋白之一;RNA结合基序蛋白15(RNAbindingmotifprotein15,RBM15)及其类似物RBM15B是WTAP的共沉淀物,在m6A甲基化位点附近有丰富的RBM15/15B结合位点[5];含CCCH结构域的锌指蛋白13(zincfingerCCCHdomain-containingprotein13,Zc3h13)可与WTAP、Virilizer及Hakai相互作用,形成调控RNAm6A修饰的保守的大分子复合物Zc3h13-WTAP-Virilizer-Hakai;甲基化转移酶16(methyltransferase-likeprotein16,METTL16)是METTL3的同系物,其核心结构域甲基转移酶能结合甲基化的MAT2A的RNA发卡结构。

1.2m6A“擦除器”

1.2.1FTO

FTO是Fe2+和α-酮戊二酸依赖的大肠杆菌加双氧酶家族(α-KG-dependentdioxygenase,ALKB)的成员,能在Fe2+和α-酮戊二酸的辅助下将m6A中的甲基转化为羟甲基,并将其最终去除[6,7]。

1.2.2ALKBH5

ALKBH5主要存在于细胞核内,其脱甲基活性与FTO相当。

1.3m6A“读取器”

1.3.1YTH结构域蛋白

YTH家族通过YTH结构域识别m6A修饰序列[8]。YTHDC1位于细胞核内,其余YTH家族蛋白均位于胞质中。

1.3.2其他“读取器”

新近发现的“读取器”还有真核启动因子3(eukaryoticinitiationfactor3,eIF3)、异质性胞核核糖核蛋白A2/B1(heteronuclearribonucleoproteinA2/B1,hnRNPA2/B1)、胰岛素样生长因子2的mRNA结合蛋白(mRNAbindingproteinofinsulinlikegrowthfactor2,IGF2BP,IGF2BP1/2/3)、富脯氨酸线圈2A蛋白(prolinerichcoiled-coil2A,Prrc2a)等。它们有些可与m6A直接结合,有些可作为m6A结合核糖核蛋白复合物的一部分参与对mRNA的调节。

与m6A甲基化相关的酶及其生物学效应见表1。

2、m6A甲基化与代谢性疾病

代谢性疾病是由于体内物质如蛋白质、葡萄糖和脂质等出现代谢紊乱而引起的一类慢性炎症性疾病,包括肥胖症、T2DM、冠心病等。由于代谢性疾病是多因素疾病,遗传因素、环境因素、生活方式等均参与其中,目前病因尚未完全明确。新近研究发现[33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54],m6A甲基化通过参与血脂和血糖的代谢过程,导致血脂、血糖代谢紊乱以及慢性炎症反应,从而在肥胖症、T2DM、冠心病等代谢性疾病的发生发展过程中扮演着一个重要角色。

2.1m6A甲基化与肥胖症

既往研究已发现FTO在脂肪生成、代谢和体质量调节中起着关键作用。FTO可通过调节剪接位点周围的m6A水平控制脂肪生成调节因子Runt相关转录因子1(Runt-relatedtranscriptionfactor1,Runx1t1)的外显子剪接,增强Runx1t1的表达,调节脂肪前体细胞的有丝分裂,促进脂肪生成[33,34];同时FTO可能通过激活Wnt通路抑制过氧化物酶体增殖物激活受体γ(peroxisomeproliferator-activatedreceptorgamma,PPARγ)活性从而促进脂肪细胞3T3-L1分化[35]。这些结果提示,FTO介导的m6A去甲基化可能是表观转录调控肥胖发生发展的重要靶点之一。

表1.与m6A甲基化相关的酶及其生物学效应

YTH结构域蛋白也参与肥胖的发生发展。线粒体载体同源蛋白2(mitochondrialcarrierhomolog2,MTCH2)是肥胖易感基因,可增加小鼠肌肉中的脂肪积累,其蛋白表达水平在肥胖人群中显著高于正常体质量人群。新近研究发现,m6A甲基化可通过YTHDF1依赖性途径促进MTCH2翻译,提高其蛋白表达水平从而促进脂肪生成[36]。

m6A的甲基转移酶复合物WTAP/METTL3/METTL14也参与脂肪生成的调节,敲除WTAP/METTL3/METTL14复合物可导致细胞周期停滞和脂肪生成受损[37],该过程与抑制细胞周期蛋白A2(cyclinA2)介导的细胞周期有关,并通过减少脂肪生成,抑制小鼠高糖高脂饮食诱导的肥胖。上述研究提示,m6A甲基化可从多方面调节脂肪细胞的生成与代谢,进而影响肥胖的发生及发展(图1)。

2.2m6A甲基化与脂代谢紊乱

肝脏是内源性脂质生成的主要部位,在脂质代谢中发挥着重要作用。脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)、肿瘤坏死因子(tumornecrosisfactor,TNF)和白细胞介素1(interleukin-1,IL-1)等可引起肝脏脂质过量沉积从而导致多种代谢性疾病,如非酒精性脂肪性肝病(nonalcoholicfattyliverdisease,NAFLD)等。近来研究发现,姜黄素可引起小型猪模型肝脏中METTL3和METTL14的mRNA表达增加及ALKBH5、FTO和YTHDF2的mRNA表达减少,使m6A甲基化水平增加,降低血浆中的天冬氨酸氨基转移酶(aspartateaminotransferase,AST)和乳酸脱氢酶(lactatedehydrogenase,LDH)水平,改善LPS诱导的肝脏脂代谢紊乱和肝脏损伤[3]。

动物实验还发现NAFLD大鼠肝脏中FTO的mRNA和蛋白表达量升高,FTO的过表达会促发炎症反应,导致肝细胞L02脂质过量积累[38]。Jia等人[39]发现LPS可通过FTO介导的m6A甲基化,使脂肪酸合成酶(fattyacidsynthase,FAS)、硬脂酰辅酶A去饱和酶1(stearoyl-CoAdesaturase1,SCD1)等与脂质代谢相关的酶基因表达增加,而抑制与脂质转运相关的基因如微粒体甘油三酯转移蛋白(microsomaltriglyceridetransferprotein,MTP)基因、载脂蛋白B(apolipoproteinB,ApoB)基因、肉碱棕榈酰转移酶1(carnitinepalmitoyltransferase1,CPT1)基因等,促进肝脏甘油三酯(triglyceride,TG)蓄积。

此外,过表达METTL3可抑制PPARγ表达,减少脂质沉积并降低脂肪细胞TG含量[40];m6A甲基化还可通过YTHDF2调控肝脏脂代谢的重要基因过氧化物酶体增殖物激活受体α(peroxisomeproliferators-activatedreceptorα,PPARα)mRNA的稳定性和半衰期,从而调控PPARα基因的转录与翻译,影响脂代谢的昼夜节律[41],维持生物钟的稳定,减少代谢性疾病的发生。

Mo等[42]在对超过18万名欧洲后裔的全基因组关联研究(genome-wideassociationstudies,GWAS)中发现许多m6A单核苷酸多态性(single-nucleotidepolymorphisms,m6A-SNP)与TG、总胆固醇(totalcholesterol,TC)、高密度脂蛋白胆固醇(highdensitylipoproteincholesterol,HDLC)和低密度脂蛋白胆固醇(lowdensitylipoproteincholesterol,LDLC)水平相关,其中有部分表现出与HDLC和TG显著相关,提示除涉及肝脏脂质代谢紊乱外,m6A甲基化可能还参与其他组织器官的脂质代谢,引起如高脂血症和动脉粥样硬化性疾病等,其具体影响及机制有待进一步阐明。

图1.m6A在脂肪生成中的作用

2.3m6A甲基化与T2DM

糖尿病是以慢性高血糖为特征的代谢性疾病。有研究[43]43]显示,与对照组比较,T2DM患者和糖尿病大鼠RNA中的m6A水平均显著降低,FTO的mRNA表达量则明显升高,提示FTO介导的m6A修饰与血糖浓度相关。在FTO敲除的HepG2细胞中,叉头转录因子O1(forkheadboxO1,FOXO1)、葡萄糖-6-磷酸酶(glucose-6-phosphatasecatalytic,G6PC)和二脂酰甘油酰基转移酶2(diacylglycerolO-acyltransferase2,DGAT2)的mRNA表达水平显著下调;而过表达FTO的HepG2细胞中FOXO1、G6PC和DGAT2的表达则显著增加[44]44]。已知FOXO1、G6PC和DGAT2均与血糖调节及T2DM有关,FTO可能通过调节上述基因的mRNA表达参与T2DM的发生发展;还有研究发现FOXO1和FASN的mRNA上分别有5个和2个m6A位点[45]45]。这些结果均表明m6A可能通过FTO调控参与糖脂代谢的基因表达,从而影响T2DM患者的血糖水平及脂质代谢。目前m6A甲基化与T2DM的研究较少,具体机制尚未明确。m6A甲基化究竟是如何参与T2DM的发生发展,参与程度如何,会否成为T2DM治疗的新靶点等仍需进一步研究。

2.4m6A甲基化与心血管疾病

既往已有研究发现FTO与冠心病有关。携带FTOrs9939609A等位基因人群的冠心病发病率比对照人群增高约20%,且其关系并不完全依赖于体质量指数(bodymassindex,BMI)[46]46]。在一项长达19年的随访研究也发现FTO基因型与冠心病呈现出独立于动脉粥样硬化传统危险因素的相关关系[47]47]。随着研究的进展,m6A甲基化与心血管疾病的关系越来越密切。Mo等人[48]48]在约18.5万冠心病及对照人群的GWAS中发现,约7%的m6A-SNP与冠心病有关,其中rs12286表现出与冠心病显著相关,研究[42]42]也表明m6A-SNP与血脂水平相关,特别是与HDLC和TG呈显著相关性。此外,慢性炎症反应近年来也被证实与冠心病相关。动物研究发现,LPS诱导的炎性因子(如IL-1β和IL-6)分泌及脂质代谢紊乱与FTO介导的m6A甲基化有关[49]49]。上述研究结果表明,m6A甲基化可能通过调节脂质代谢、血脂水平以及调控慢性炎症反应从而参与冠心病的发生发展。目前关于m6A甲基化与冠心病之间的研究还存在不足,需要更多以及更进一步的研究来阐明影响两者之间的关系及其机制,以期为冠心病的防治提供新靶点。

除冠心病外,新近的研究表明FTO与心肌细胞收缩力也存在着相关性。在衰竭的哺乳动物心脏和缺氧的心肌细胞中FTO表达水平降低[50]50],而m6A水平升高。FTO表达减少会导致钙处理及肌节动力学异常,引起原代心肌细胞收缩功能丧失[50]50],其机制可能是缺血时心脏收缩基因转录产物的选择性去甲基化而导致[51,52]51-52]。

METTL3最近被发现与心肌细胞肥大有关。在小鼠心脏中增加METTL3的表达水平可在不影响正常心脏功能的情况下促进心肌细胞自发性代偿性肥大,而敲除METTL3则使小鼠心脏出现适应不良的偏心重塑并表现出心衰的体征[53]53]。沉默METTL3可显著增加心肌细胞肥大标志物钠尿钛前体蛋白A(natriureticpeptideprecursorA,NPPA)和钠尿钛前体蛋白B(natriureticpeptideprecursorB,NPPB)的表达,使新生小鼠心肌细胞增大[54]54]。此外,在使用主动脉缩窄术(transverseaorticconstriction,TAC)后的小鼠体内过表达METTL3可使其心肌细胞病理性肥大生长减弱、受损心脏的纤维化和胶原转录降低[54]54],提示METTL3对心肌细胞的病理性肥大有抑制作用。上述研究均提示METTL3介导的m6A甲基化对心肌细胞生长具有重要作用,但由于涉及心脏肥大的机制很多,并且其中很多信号通路具有复杂的相关性,导致METTL3介导的m6A甲基化是如何参与心肌细胞肥大及心衰的作用机制尚有待进一步阐明。但无论如何,m6A甲基化为从转录后水平研究应激状态下心肌细胞的病理及病理生理反应提供了新的线索与思路。

3、问题与展望

m6A甲基化是腺嘌呤第6位氮原子通过甲基转移酶催化形成的一种甲基化修饰,是真核生物mRNA上最多的化学修饰形式。m6A修饰由甲基转移酶复合物WTAP/METTL3/METTL14催化形成,由去甲基化酶ALKBH5和FTO催化去除,其能被含有YTH结构域的m6A“读码器”YTHDF2、YTHDF1、YTHDC1等识别。近年来m6A对RNA的动态调控在脂肪生成、脂质代谢和免疫/炎症反应中的作用逐渐引起研究者关注。代谢性疾病是由体内蛋白质、葡萄糖和脂质代谢紊乱引起的一类慢性炎症疾病。研究发现,在肥胖症、T2DM、冠心病等代谢性疾病的发生发展过程中m6A甲基化酶、去甲基化酶和读取蛋白均不同程度参与其中,并在某些疾病的发展过程中可能发挥了关键作用。但m6A甲基化参与代谢性疾病的程度及具体机制均未阐明,研究m6A与代谢性疾病之间的关系有望为代谢性疾病的防治提供新的思路,具有广阔的临床应用前景。

钟慧,卿即娜,尹凯.m~6A甲基化与代谢性疾病的研究进展[J].中国动脉硬化杂志,2020,28(11):1002-1008.