m6A甲基化修飾在肝癌中的研究進(jìn)展

金 松,朱小年,譚盛葵

金松,朱小年,譚盛葵,桂林醫(yī)學(xué)院 廣西壯族自治區(qū)桂林市 541100

0 引言

表觀遺傳學(xué)在癌癥的發(fā)生發(fā)展過程中起到了非常重要的作用,其包括DNA甲基化、組蛋白修飾和RNA修飾等.到目前為止,已經(jīng)鑒定出超過170種RNA修飾,包括RNA甲基化、偽尿苷化(pseudouridineψ)、N1-甲基腺苷(N1-methyl-Adenosine,M1A)等[1].N6-甲基腺嘌呤(N6-methyladenosine,m6A)甲基化是RNA修飾中最廣泛最重要的化學(xué)修飾之一,最初于1974年在mRNA中被發(fā)現(xiàn)[2],其廣泛存在于真核生物的mRNA和長鏈非編碼RNA(long non-codingRNA,lncRNA)中.m6A甲基化在RNA修飾中非常普遍,參與了RNA基本的病理生理代謝過程,包括剪接、核輸出、翻譯和衰變等[3].

m6A甲基化是指將甲基轉(zhuǎn)移到核酸中腺苷的N-6位置[4],它是在1974年純化的poly(A)RNA片段中發(fā)現(xiàn)的,它是真核細(xì)胞中最普遍、最豐富的修飾之一,幾乎存在于所有真核生物中[5].m6A甲基化主要出現(xiàn)在RRm6ACH的共識(shí)序列中([G/A/U][G>A] m6AC[U>A>C]),并富集于轉(zhuǎn)錄起始區(qū)、編碼序列(Coding sequence,CDS)和3'-非翻譯區(qū)(3'-UTR)[6].m6A修飾是一個(gè)動(dòng)態(tài)的可逆的生物過程,受甲基轉(zhuǎn)移酶(也稱為m6A writers)和去甲基化酶(也稱為m6A erasers)的調(diào)控,另外還有識(shí)別m6A修飾的結(jié)合蛋白(也稱為m6A readers)的參與.

本文通過m6A甲基化修飾的相關(guān)調(diào)節(jié)蛋白闡述m6A甲基化在肝癌中的作用及其機(jī)制,旨在為肝癌的早期診斷、治療和預(yù)后提供研究方向和線索,討論m6A成為肝癌治療和預(yù)后新靶點(diǎn)的可行性,為后續(xù)關(guān)于m6A甲基化研究提供思路.

1 m6A甲基化的調(diào)控因子

1.1 m6A writers m6A甲基轉(zhuǎn)移酶是調(diào)控m6A甲基化修飾的重要酶類,由多種m6A甲基轉(zhuǎn)移酶復(fù)合物組成,包括甲基轉(zhuǎn)移酶3(methyltransferase-like 3,METTL3)、甲基轉(zhuǎn)移酶14(methyltransferase-like 14,METTL14)、Wilm1腫瘤結(jié)合蛋白(wilms tumor 1-associating protein,WTAP)等[7].其中METTL3是可以將甲基從S-腺苷甲硫氨酸(S-adenosylmethionine,SAM)轉(zhuǎn)移至受體腺嘌呤部分的催化亞基,METTL14作為一種偽甲基轉(zhuǎn)移酶來支持METTL3并識(shí)別目的RNA,而WTAP具有確保METTL3-METTL14異源二聚體的定位并促進(jìn)其催化活性的功能[7].還有一些其他的調(diào)控蛋白包括RNA調(diào)控結(jié)合蛋白15(wilms tumor 1-associating protein,RBM15)、類病毒m6A相關(guān)甲基轉(zhuǎn)移酶(vir-like m6A methyltransferase associated,VIRMA)等也起到甲基轉(zhuǎn)移酶的作用[8].

METTL3是最早被鑒定出來的甲基轉(zhuǎn)移酶,1997年Bokar等人[9]首次從Hela細(xì)胞中分離出METTL3,發(fā)現(xiàn)其可以作為m6A“writers”具有催化mRNA和非編碼RNA的功能.它可以催化甲基從S-腺苷甲硫氨酸轉(zhuǎn)移到受體腺嘌呤上[10].METTL3在肝癌[11]、乳腺癌[4,12]、胃癌[7]等多種癌癥細(xì)胞中高表達(dá),具有促進(jìn)癌細(xì)胞侵襲和轉(zhuǎn)移的作用.也有研究表明METTL3有抑癌作用,過表達(dá)METTL3可抑制膠質(zhì)母細(xì)胞瘤干細(xì)胞的生長、自我更新和腫瘤發(fā)生[13].METTL3是研究較多的甲基轉(zhuǎn)移酶,但它的功能和作用機(jī)制尚未完全明了,還需進(jìn)一步的探索.

METTL14對細(xì)胞的增殖分化具有雙向作用,Sun[14]等人在他們的研究中發(fā)現(xiàn):METTL14可以參與lncRNA-942的m6A修飾,分別增強(qiáng)細(xì)胞色素P450家族1B1(cytochrome P450,family1,subfamily b,polypeptide1,CYP1B1)和趨化因子受體4(CXC chemokine receptor 4,CXCR4)的表達(dá)和穩(wěn)定性,從而促進(jìn)細(xì)胞增殖和集落形成,抑制細(xì)胞凋亡.然而,還有類似研究表明[12],METTL14的過表達(dá)抑制乳腺癌細(xì)胞生長和集落形成.另外METTL3和METTL14可以形成穩(wěn)定不對稱的METTL3-METTL14復(fù)合物并與WTAP結(jié)合,發(fā)揮甲基化功能[10].METTL14的下調(diào)還與腫瘤的惡化及患者預(yù)后較差及生存期較短密切相關(guān)[15,16].提示METTL14在預(yù)測腫瘤轉(zhuǎn)移和復(fù)發(fā)方面具有潛在的作用.

WTAP并沒有催化甲基化結(jié)構(gòu)域和甲基化酶的活性,但它是甲基轉(zhuǎn)移酶復(fù)合體的組成部分,能將METTL3-METTL14異二聚體定位于核斑點(diǎn)并激活甲基轉(zhuǎn)移酶復(fù)合物從而促進(jìn)m6A甲基化修飾[5].有大量研究表明WTAP在多種腫瘤中過表達(dá),并與患者預(yù)后不良有關(guān).WTAP和m6A在胃癌組織和細(xì)胞中的表達(dá)均上調(diào),WTAP的過表達(dá)與胃癌患者預(yù)后不良密切相關(guān)[17].

此外,陸續(xù)發(fā)現(xiàn)的甲基轉(zhuǎn)移酶如METTL16、METTL5和鋅指CCHC-4 (ZCCHC4)也是m6A甲基轉(zhuǎn)移酶,可直接催化RNA分子中的m6A修飾[18].

1.2 m6A erasers m6A修飾是一個(gè)動(dòng)態(tài)可逆的過程[5],需要去甲基化酶參與去甲基化過程.主要的去甲基化酶有脂肪量和肥胖相關(guān)基因(fat mass and obesity associated gene,FTO)和AlkB同源蛋白5(alkylation repair homolog protein 5,ALKBH5),FTO可以通過調(diào)節(jié)m6A修飾影響mRNA的穩(wěn)定性和翻譯效率[5],ALKBH5則通過氧化性逆轉(zhuǎn)m6A來影響mRNA的輸出、代謝和mRNA加工因子在核斑中的組裝[19].兩者均在腫瘤的發(fā)生和發(fā)展具有雙向調(diào)節(jié)作用.

FTO是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的m6A去甲基化酶.在生理?xiàng)l件下,m6A是目前發(fā)現(xiàn)的FTO去甲基化作用的最佳底物[20].FTO的作用與m6A的位置有關(guān):在細(xì)胞核中,FTO對核小RNA(small nuclearRNA,snRNA)中的m6A和m6Am至關(guān)重要;而在細(xì)胞質(zhì)中,FTO對poly-A RNA中的m6Am帽至關(guān)重要[21].Li[22]在研究中發(fā)現(xiàn)FTO在肝細(xì)胞癌中表達(dá)上調(diào).此外,FTO沉默時(shí)HCC細(xì)胞中m6A水平升高,且在小鼠體內(nèi)敲除FTO可以抑制腫瘤的生長.

ALKBH5是另一種去甲基化酶,存在于細(xì)胞核中,過表達(dá)ALKBH5的細(xì)胞中mRNA的m6A水平顯著降低.ALKBH5可以影響mRNA的輸出和裝配過程[19].ALKBH5通過催化NANOG mRNA 3'-UTR腺苷殘基的去甲基化,促進(jìn)乳腺癌干細(xì)胞(breast cancer stem cells,BCSC)在腫瘤微環(huán)境中的生長和富集[23].另外,ALKBH5降低了lncRNA核旁斑組裝轉(zhuǎn)錄本1的水平,lncRNA核旁斑組裝轉(zhuǎn)錄本1在胃癌細(xì)胞和組織中過表達(dá),在胃癌的侵襲和轉(zhuǎn)移過程中發(fā)揮了重要作用[24].

1.3 m6A readers m6A的閱讀蛋白指的是一類含有YTH結(jié)構(gòu)域的蛋白的總稱,主要包括YTH-N6甲基腺烯苷RNA結(jié)合蛋白(YTH N6-methyladenosine RNA-binding protein 1/2/3,YTHDF1/2/3)、YT512-同源結(jié)構(gòu)域蛋白(YT512-B homology domain-containing protein,YTHDC1/2)等.除了YTH結(jié)構(gòu)域家族,其他閱讀器如核不均一核糖核蛋白(heterogeneous nuclear ribonucleoprotein,HNRNP)家族、胰島素樣生長因子2 mRNA結(jié)合蛋白(insulin-like growth factor2 binding proteins,IGF2BPs,包括IGF2BP1/2/3)和真核翻譯起始因子3(eukaryotic translation initiation factor3,eIF3)已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)[18,25].與閱讀器蛋白結(jié)合的經(jīng)m6A修飾的mRNA,其親和力比未修飾的mRNA增強(qiáng)10-50倍,可編碼m6A修飾信息,發(fā)揮翻譯等功能.最近的研究發(fā)現(xiàn),FMR1和LRPPRC也可以作為m6A的閱讀器參與m6A的修飾[26].

YTHDF1在肝癌中強(qiáng)烈表達(dá),與患者預(yù)后不良密切相關(guān).YTHDF1調(diào)控的下游分子參與細(xì)胞周期、氨基酸降解和脂質(zhì)代謝[27].Zhong等[28]人的研究顯示YTHDF2在肝癌中可能發(fā)揮抑癌作用,因?yàn)檫^表達(dá)YTHDF2可抑制肝癌細(xì)胞的增殖,促進(jìn)細(xì)胞凋亡.且YTHDF2的表達(dá)與患者生存期呈負(fù)相關(guān).因此,YTHDF2在肝癌中具有致癌作用,可能會(huì)成為檢測肝癌的一個(gè)有用的生物標(biāo)志物[29].

YTHDC1調(diào)控RNA的剪接,其YTH域特異性識(shí)別m6A修飾,優(yōu)先識(shí)別G(m6A)C序列[30].YTHDC2調(diào)控m6A分子的穩(wěn)定性,并促進(jìn)RNA降解機(jī)制的形成,它還可以利用其獨(dú)特的RNA結(jié)構(gòu)在m6A mRNA和核糖體之間建立橋梁,促進(jìn)其有效翻譯[31].YTH家族的很多功能和機(jī)制尚未十分清楚,還需做進(jìn)一步的研究.

2 m6A在肝癌中的作用及其機(jī)制

m6A調(diào)控因子在肝癌中是失調(diào)的,近年來m6A在肝癌中的作用及其機(jī)制陸續(xù)被闡述.“m6A writers”“m6A erasers”和“m6A readers”在肝癌的發(fā)生發(fā)展過程中起到各自的作用.多個(gè)研究發(fā)現(xiàn)[32-34],METTL3在人肝癌中具有致癌功能,在原位異種肝移植模型中,敲低METTL3可降低肝癌的發(fā)生和肺轉(zhuǎn)移.從機(jī)制上講,METTL3促進(jìn)腫瘤抑制細(xì)胞因子信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制因子2(suppressor of cytokine signaling2,SOCS2)mRNA 3'端的m6A修飾,從而通過依賴YTHDF2的途徑促進(jìn)SOCS2 mRNA降解[32].另外METTL3的缺失在體內(nèi)外均可下調(diào)m6A,降低癌細(xì)胞的遷移、侵襲和上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)的能力,m6A可以調(diào)控EMT的進(jìn)展和Snail(EMT過程中關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄抑制因子)的表達(dá)[33].此外,降低METTL3表達(dá)可以抑制mTORC1活性,促進(jìn)肝癌細(xì)胞的糖酵解.無論是在單獨(dú)治療還是與抗代謝物聯(lián)合治療上,METTL3都是HCC的理想治療靶點(diǎn)[35].臨床資料顯示肝癌組織中METTL3和YTHDF1的含量高于鄰近正常組織,并且與肝癌患者生存期較短和預(yù)后不良有關(guān)[36].

有大量研究表明METTL14可以發(fā)揮抑制癌癥的功能.METTL14在肝癌細(xì)胞的表達(dá)降低,并且與肝癌的復(fù)發(fā)相關(guān),已經(jīng)證實(shí)METTL14過表達(dá)可顯著增加m6A修飾的pri-miR-126數(shù)量;從機(jī)制上講,METTL14可以以微處理器蛋白DGCR8依賴的方式正向調(diào)節(jié)pri-miR126,miR-126反過來又可通過下調(diào)METTL14的表達(dá)抑制腫瘤的轉(zhuǎn)移[16];METTL14的下調(diào)可以降低m6A水平和miR-126的表達(dá),從而促進(jìn)肝癌的轉(zhuǎn)移[37].在另一項(xiàng)研究中,METTL14被發(fā)現(xiàn)通過促進(jìn)miR-375 m6A依賴的成熟而抑制結(jié)直腸癌進(jìn)展,這不僅可以通過靶向Yes相關(guān)蛋白1(YAP1)抑制癌細(xì)胞增殖,還可以通過miR-375/SP1通路抑制癌細(xì)胞的遷移和侵襲[15].

KIAA1429(VIRMA,vir-Like m6A相關(guān)甲基轉(zhuǎn)移酶)也在m6A修飾中起到關(guān)鍵的作用,KIAA1429在HCC組織中的表達(dá)明顯高于癌旁組織,且KIAA1429表達(dá)升高的HCC患者總生存期和無病生存期較差.GATA3(GATA相關(guān)蛋白3)是KIAA1429介導(dǎo)的m6A修飾的直接下游靶點(diǎn),沉默GATA3可以逆轉(zhuǎn)KIAA1429抑制的細(xì)胞增殖和轉(zhuǎn)移[38].

m6A甲基化是一個(gè)可逆的過程,m6A去甲基化酶與肝癌的發(fā)生和發(fā)展也有著密切的聯(lián)系.有研究表明FTO在HCC組織和細(xì)胞中均表達(dá)上調(diào).此外,敲除FTO時(shí)HCC細(xì)胞中m6A水平升高并抑制肝癌的增殖,其機(jī)制可能是FTO可以降低PKM2(丙酮酸激酶)mRNA的甲基化,從而上調(diào)PKM2的表達(dá),是肝癌預(yù)后不良和生存期較短的原因之一,并為肝癌的治療提供潛在靶點(diǎn)[22].敲除FTO誘導(dǎo)細(xì)胞周期阻滯,抑制肝癌細(xì)胞集落形成能力,并伴隨整體m6A水平的升高[11].然而也有研究顯示FTO在肝癌發(fā)展過程中起保護(hù)作用,肝細(xì)胞特異性FTO缺失可以影響肝癌起始期,還抑制Cul4a的翻譯而影響肝癌發(fā)展[39].另外在肝內(nèi)膽管癌(intrahepatic cholangiocarcinoma,ICC)中發(fā)現(xiàn)了FTO蛋白水平的下調(diào),且在ICC中FTO的丟失與癌癥的侵襲性和不良預(yù)后相關(guān);在功能上,敲除FTO可減少ICC細(xì)胞的凋亡[37].FTO在肝細(xì)胞癌和肝內(nèi)膽管癌中呈現(xiàn)相反功能,還需做進(jìn)一步的探索.ALKBH5在肝癌中的表達(dá)也是下調(diào)的,并與肝癌患者預(yù)后不良相關(guān),其機(jī)制可能是ALKBH5可介導(dǎo)的m6A修飾被IGFBP1識(shí)別,使得LY6/PLAUR結(jié)構(gòu)域1(LYPD1)轉(zhuǎn)錄后失活(LYPD1是已被確認(rèn)的肝癌致癌因子)并促進(jìn)肝癌的發(fā)生[37].

除了甲基化酶和去甲基化酶,m6A閱讀蛋白也被證明與肝癌的發(fā)生有關(guān).YTHDF1在肝癌中表達(dá)上調(diào),且與肝癌患者術(shù)后總生存期較短相關(guān).YTHDF1是一個(gè)參與調(diào)節(jié)肝癌細(xì)胞周期和代謝的獨(dú)立不良預(yù)后因子,被認(rèn)為是一種促癌因素[31].雖然YTHDF2被稱為m6A解讀器,但研究表明YTHDF2可以影響細(xì)胞中m6A甲基化水平,Yang等人[40]發(fā)現(xiàn)miR-145是YTHDF2的轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)因子.miR-145與YTHDF2 mRNA的3’UTR結(jié)合,顯著抑制其表達(dá),而miR-145在肝癌中經(jīng)常下調(diào),并與YTHDF2的表達(dá)呈負(fù)相關(guān),這意味著YTHDF2在肝癌患者中可能上調(diào).肝臟中FTO可抑制DEN(二乙基亞硝銨)誘導(dǎo)的HCC發(fā)展,還可能靶向Cul4a mRNA降低Cul4a蛋白水平,從而阻斷細(xì)胞周期進(jìn)程和增殖.因此,FTO-CUL4A軸可能是HCC治療的一個(gè)有希望的靶點(diǎn)[39].YTHDF3可作為促癌因子,通過增強(qiáng)ZEB1 mRNA的穩(wěn)定性來促進(jìn)肝癌的遷移、侵襲和EMT過程[41].YTH家族的其他成員,如YTHDC1和YTHDC2,在肝癌發(fā)展中的參與尚需要進(jìn)一步研究.

IGF2BP2過表達(dá)在體內(nèi)外均能促進(jìn)肝癌的增殖,其可能的機(jī)制為IGF2BP2直接識(shí)別并結(jié)合到FEN1(皮瓣內(nèi)切酶1)mRNA上的m6A位點(diǎn),增強(qiáng)了FEN1 mRNA的穩(wěn)定性,而FEN1已被證明是促癌因素,促進(jìn)肝癌的生長和轉(zhuǎn)移.靶向METTL3-IGFBP2-FEN1通路可能是HCC治療的一種新的有效策略[42].

以上的研究表明m6A修飾和m6A調(diào)節(jié)因子在肝癌發(fā)生中的復(fù)雜作用,m6A修飾和m6A調(diào)控因子參與調(diào)控癌細(xì)胞增殖、遷移、侵襲、EMT等過程.但是有些研究對同一種調(diào)控因子的表達(dá)和功能是矛盾的,并沒有確切統(tǒng)一的定論.因此,m6A調(diào)控肝癌進(jìn)展的機(jī)制有待進(jìn)一步研究.

3 結(jié)論

近年來,RNA的m6A修飾越來越受到人們的關(guān)注,隨著檢測技術(shù)的提高和表觀遺傳學(xué)研究的進(jìn)展,近年來有大量研究揭示了m6A修飾在腫瘤中的作用,包括肝癌.然而不同的m6A修飾酶在肝癌中的功能作用各異,并且十分復(fù)雜.m6A調(diào)控肝癌進(jìn)展的機(jī)制有待進(jìn)一步研究,未來的效應(yīng)因子也需要識(shí)別癌癥特異性的m6A修飾以進(jìn)行早期診斷.另外,鑒于m6A修飾和調(diào)控在許多癌癥中的關(guān)鍵作用,靶向失調(diào)的m6A調(diào)控可能是一種治療癌癥的選擇.因此,更好地了解m6A可能會(huì)改善未來的癌癥治療.