m6A甲基化酶METTL3在癌癥發(fā)生發(fā)展中的作用*

黃偉偉 李艷紅 李晨 李英英 何恩鵬

隨著人類(lèi)環(huán)境的日益惡化及人們的不良生活方式，全球人口患癌率劇增。在21世紀(jì)，癌癥已成為威脅人們健康的頭號(hào)疾病。雖然生命科學(xué)的不斷發(fā)展及醫(yī)療水平的不斷進(jìn)步為攻克癌癥提供了更多的治療手段，但癌癥的發(fā)展機(jī)制極其復(fù)雜，且目前的醫(yī)療技術(shù)水平仍存在不足，因此如何安全、有效地治療癌癥依然是個(gè)難題。

近年來(lái)，遺傳學(xué)分支學(xué)科-表觀遺傳學(xué)的發(fā)展十分迅速。表觀遺傳學(xué)主要通過(guò)基因修飾功能來(lái)調(diào)控基因的表達(dá)，且不會(huì)改變基因的核苷酸序列［1］。RNA修飾廣泛影響著RNA的結(jié)構(gòu)、功能及穩(wěn)定性，是近年來(lái)研究熱點(diǎn)。在所有的RNA 修飾中，N6-甲基腺苷（m6A）是真核生物mRNA中最普遍的修飾形式，也是目前研究較多的RNA 修飾之一［2］。m6A 指腺苷堿基第6號(hào)N 原子上的甲基化，普遍存在于自然界中［3-9］。自20世紀(jì)70年代m6A被發(fā)現(xiàn)以來(lái)［10］，相關(guān)的研究進(jìn)展十分緩慢。脂肪與肥胖相關(guān)蛋白FTO被鑒定為第一個(gè)m6A 去甲基化酶［11］，表明m6A 修飾是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、可逆的過(guò)程，進(jìn)一步暗示m6A可能在生物體內(nèi)發(fā)揮著重要功能。這極大地激發(fā)了研究者們的興趣，使該領(lǐng)域的研究迅速發(fā)展。

m6A修飾相關(guān)的研究越來(lái)越多，除了調(diào)節(jié)RNA的剪切、轉(zhuǎn)運(yùn)、翻譯和降解等生物過(guò)程［12］，m6A在多種癌癥中也扮演著重要的角色。目前已有多項(xiàng)研究證明m6A甲基化酶樣3（methyltransferase like 3，METTL3）在人類(lèi)多種惡性腫瘤中表達(dá)失調(diào)且具有致癌性。Yang等［13］證明敲低METTL3可有效抑制胃癌細(xì)胞增殖、遷移和侵襲能力，過(guò)表達(dá)增加其致癌功能。在乳腺癌中，METTL3也被證明發(fā)揮重要作用。Wang等［14］發(fā)現(xiàn)在乳腺癌組織和細(xì)胞中METTL3 上調(diào)。不論在體內(nèi)和體外，敲除METTL3均可降低甲基化水平，減少癌細(xì)胞增殖，加速壞死細(xì)胞凋亡并抑制腫瘤生長(zhǎng)。Peng等［15］證明METTL3上調(diào)是導(dǎo)致大腸癌中m6A異常修飾的原因之一，并且與腫瘤轉(zhuǎn)移呈正相關(guān)。過(guò)表達(dá)實(shí)驗(yàn)表明METTL3在體外和體內(nèi)均可促進(jìn)癌細(xì)胞遷移和侵襲。以上研究表明，m6A甲基化調(diào)控失衡與癌癥進(jìn)展密切聯(lián)系，METTL3作為最主要的甲基化酶，對(duì)癌癥發(fā)展通路m6A甲基化的調(diào)控失衡，從而影響癌癥的發(fā)展。本文通過(guò)總結(jié)METTL3在各種癌癥中最新的研究進(jìn)展，闡明其對(duì)RNA穩(wěn)定性以及其多種癌癥的調(diào)節(jié)機(jī)制。

1 m6A的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)及相關(guān)蛋白

m6A甲基化發(fā)生在轉(zhuǎn)錄后，并富集于3'非編碼區(qū)域、5'非編碼區(qū)域和終止密碼子附近的共識(shí)基序-RRACH 基序（R 表示A 或G；H 表示A、C 或U）［16-18］。m6A 修飾是可逆的，它的動(dòng)態(tài)化調(diào)節(jié)過(guò)程包括三部分，分別是“writer”甲基化酶，”eraser”去甲基化酶以及“reader”甲基識(shí)別蛋白，它們分別執(zhí)行著不同的功能。甲基化酶負(fù)責(zé)將目標(biāo)甲基化，一般是由甲基化酶METTL3、METTL14 以 及Wilms腫瘤相關(guān)蛋白WTAP 組成METTL3/METTL14/WTAP 復(fù)合物來(lái)催化形成的［19-20］?！眅raser”執(zhí)行去甲基化的功能。在Fe2+及α-酮戊二酸的參與下，m6A甲基化可被FTO和ALKB同系物5（ALKB5）清除［21］。顯而易見(jiàn)，“reader”可識(shí)別甲基化信息，執(zhí)行此項(xiàng)功能的蛋白有YTHDF1-3、YTHDC1-2、eIF3、hnRNPs、HUR、IGF2BPs 等［22］。由此，m6A 形成一個(gè)閉環(huán)的、可逆的過(guò)程，調(diào)節(jié)自身甲基化水平及上下游關(guān)基因的表達(dá)（圖1）。

圖1 m6A動(dòng)態(tài)調(diào)控過(guò)程及相關(guān)的蛋白酶［19-22］

2 METTL3與人類(lèi)腫瘤

腫瘤是人體在環(huán)境中各種致癌因素的影響下，局部組織在基因水平上失去對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)的正常調(diào)控，導(dǎo)致其異常增生而形成的。與正常細(xì)胞相比，腫瘤細(xì)胞的形態(tài)、代謝和功能都有所變化。近年來(lái)，越來(lái)越多的報(bào)道指出m6A 與腫瘤的發(fā)展相關(guān)，并在多種癌癥中發(fā)現(xiàn)其甲基化酶METTL3 參與癌癥發(fā)生發(fā)展的證據(jù)，見(jiàn)表1。

2.1 METTL3與胃癌

胃癌是一種惡性腫瘤，由胃黏膜上皮細(xì)胞的異常增殖與分化導(dǎo)致，在中國(guó)各種惡性腫瘤中發(fā)生率最高。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，m6A甲基化酶METTL3的表達(dá)水平與胃癌細(xì)胞的發(fā)展相關(guān)。相關(guān)研究表明，胃癌組織中的METTL3水平顯著增加，且METTL3的表達(dá)水平隨著腫瘤等級(jí)的增加而逐漸升高。體外試驗(yàn)表明，METTL3下調(diào)可激活凋亡相關(guān)蛋白的表達(dá)，并使ATK信號(hào)通路失活，從而抑制腫瘤的轉(zhuǎn)移［23］。有研究報(bào)道，長(zhǎng)鏈非編碼RNA（lncRNA）LINC00470通過(guò)與METTL3相互作用并依賴于YTHDF2途徑來(lái)介導(dǎo)抑癌基因PTEN mRNA降解，促進(jìn)胃癌細(xì)胞的發(fā)展［24］。

2.2 METTL3與肺癌

最近的一項(xiàng)研究顯示，METTL3在非小細(xì)胞肺癌組織表達(dá)升高，且正向調(diào)節(jié)NSCLC 組織中非編碼RNA（miRNA）miR-33a的表達(dá)水平。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，miR-33a 可以通過(guò)靶向METTL3 mRNA 的3'UTR 來(lái)抑制NSCLC細(xì)胞的增殖［25］。同樣，一項(xiàng)類(lèi)似的研究表明，非小細(xì)胞肺癌組織中miR-600可以抑制METTL3的表達(dá)，下調(diào)的METTL3抑制NSCLC的進(jìn)展［26］。

2.3 METTL3與大腸癌

Wen 課題組通過(guò)在臨床大樣本中檢測(cè)METTL3的表達(dá)發(fā)現(xiàn)，上調(diào)的METTL3是大腸癌（CRC）中m6A的異常修飾的原因，并與腫瘤轉(zhuǎn)移呈正相關(guān)，推測(cè)METTL3 可能影響CRC 細(xì)胞的轉(zhuǎn)移。體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)評(píng)估METTL3的功能表明，METTL3促進(jìn)了CRC 細(xì)胞在體內(nèi)外的遷移和侵襲，與推測(cè)的結(jié)果一致。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，METTL3 的下游目標(biāo)是miR-1246。MET?TL3可以甲基化pri-miR-1246，促進(jìn)了pri-miR-1246的成熟。通過(guò)生物信息學(xué)工具，發(fā)現(xiàn)抑癌基因SPRED2 是miR-1246 的下游靶點(diǎn)。SPRED2 與Raf/MEK/ERK 途徑相互作用防止癌細(xì)胞遷移和侵襲。METTL3 介導(dǎo)的SPRED2 負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子miR-1246的上調(diào)，使Raf/MEK/ERK 途徑失活，促進(jìn)了癌細(xì)胞的遷移和侵襲［15］。研究發(fā)現(xiàn)，METTL3 甲基化的SOX2轉(zhuǎn)錄本可以直接被m6A“閱讀器”IGF2BP2 識(shí)別，IGF2BP2可以維持轉(zhuǎn)錄本的穩(wěn)定性，從而防止其降解并通過(guò)依賴于m6A-IGF2BP2的方式自然增加其表達(dá)機(jī)制，有助于腫瘤的發(fā)生和遷徙［27］。

表1 METTL3在各類(lèi)腫瘤中的表達(dá)及作用

3 METTL3調(diào)控癌癥的機(jī)制分析

3.1 METTL3影響RNA穩(wěn)定性

越來(lái)越多的證據(jù)表明，METTL3通過(guò)調(diào)節(jié)RNA的剪接、加工、翻譯和衰變等過(guò)程，來(lái)參與多種惡性腫瘤的發(fā)生。有研究表明，RNA 結(jié)合蛋白DGCR8 可識(shí)別和處理被METTL3 甲基化的pri-miRNAs，METTL3的損耗減少了DGCR8與pri-miRNAs 的結(jié)合，導(dǎo)致成熟miRNAs 的減少和未處理的pri-miRNAs 的積累［40］。最近的一項(xiàng)研究顯示，METTL3-m6A-CDCP1軸在膀胱癌的發(fā)展進(jìn)程中發(fā)揮巨大作用。METTL3催化CDCP1mRNA 的m6A 水平，并促進(jìn)其在化學(xué)轉(zhuǎn)化時(shí)的翻譯。METTL3 或CDCP1 的水平變化可調(diào)控癌細(xì)胞的增殖、遷移和侵襲［41］。Choe 等［42］研究發(fā)現(xiàn)METTL3 通過(guò)與EIF3 形成mRNA 環(huán)來(lái)增強(qiáng)癌基因EGFR的翻譯，形成密集包裝的多核糖體并促進(jìn)致癌性轉(zhuǎn)化。破壞METTL3–EIF3 相互作用則消除了METTL3促進(jìn)翻譯，并影響多核糖體構(gòu)象和其促進(jìn)致癌性轉(zhuǎn)化的能力。與大多研究不同的是，盡管m6A的核心催化酶METTL3在起作用，但是這個(gè)過(guò)程中的調(diào)控可能跟m6A 修飾無(wú)關(guān)，其主要作用是環(huán)化mRNA。在宮頸癌組織中METTL3 的表達(dá)上調(diào)，抑制METTL3 可以抑制子宮頸癌細(xì)胞的增殖。課題組進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)METTL3 可以通過(guò)依賴IGF2BP3 的方式增加RAB2B 的mRNA 穩(wěn)定性，上調(diào)的RAB2B 可以誘導(dǎo)宮頸癌細(xì)胞的生長(zhǎng)［38］。

3.2 METTL3調(diào)控癌基因的表達(dá)

此外，METTL3還可通過(guò)調(diào)節(jié)癌基因的表達(dá)來(lái)參與癌癥的發(fā)展。最近的一項(xiàng)研究顯示，METTL3與微處理器蛋白DGCR8 相互作用并以m6A 依賴性的方式正向調(diào)節(jié)pri-miR221/222過(guò)程，miR221/222通過(guò)直接靶向膀胱癌中的抑癌基因PTEN，從而降低抑癌基因PTEN，促進(jìn)膀胱癌的增殖［30］。另一項(xiàng)在前列腺癌中的研究表明，METTL3可能在前列腺癌的發(fā)生和發(fā)展中起致癌基因的作用。研究發(fā)現(xiàn)，METTL3與原癌基因MYC 的表達(dá)存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。METTL3增加了MYC mRNA 轉(zhuǎn)錄本的m6A 水平，進(jìn)而導(dǎo)致該基因在mRNA和蛋白水平表達(dá)上調(diào)。原癌基因MYC是METTL3 通過(guò)m6A 修飾調(diào)控的關(guān)鍵下游分子，METTL3 通過(guò)上調(diào)MYC 促進(jìn)前列腺癌的增殖和進(jìn)展［32］。還有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，在急性髓性白血病中，MET?TL3也是通過(guò)上調(diào)原癌基因MYC表達(dá)來(lái)促進(jìn)AML細(xì)胞的增殖［28］。Wu 等［39］則發(fā)現(xiàn)子宮頸癌中癌基因iASPP 和METTL3 水平升高，且均為早期子宮頸癌預(yù)后不良的獨(dú)立指標(biāo)。

3.3 METTL3調(diào)節(jié)上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)換

有研究表明，METTL3 可能通過(guò)參與上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)換（epithelial-mesenchymal transition，EMT）進(jìn)程從而在癌癥中發(fā)揮作用。有研究發(fā)現(xiàn)METTL3 是體外上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)移過(guò)程和體內(nèi)轉(zhuǎn)移所必需的。從機(jī)制上講，首次確定了在GC 細(xì)胞中1 型鋅指MYM 型（ZMYM1）是METTL3 真正的m6A 靶點(diǎn)。METTL3 對(duì)ZMYM1 mRNA 的m6A 修飾依靠“閱讀器”蛋白HuR（也稱為ELAVL1）依賴性途徑增強(qiáng)了其穩(wěn)定性。ZMYM1 通過(guò)募集CtBP/LSD1/CoREST 復(fù)合物與E-鈣蛋白啟動(dòng)子結(jié)合并介導(dǎo)其抑制，從而促進(jìn)EMT 發(fā)生和轉(zhuǎn)移［43］。在卵巢癌中，METTL3通過(guò)上調(diào)受體酪氨酸激酶AXL 促進(jìn)EMT 來(lái)加快卵巢癌的生長(zhǎng)和侵襲［37］。最新的一項(xiàng)研究表明，TGF-β 誘導(dǎo)的肺癌細(xì)胞系EMT中，METTL3表達(dá)增加。抑制METTL3能拮抗TGF-β 誘導(dǎo)的EMT 和細(xì)胞遷移。深入研究發(fā)現(xiàn)，METTL3 可以調(diào)節(jié)EMT 的重要轉(zhuǎn)錄因子之一JUNB mRNA 的m6A 修飾、總mRNA 水平和mRNA 穩(wěn)定性，高水平表達(dá)的JUNB 能夠挽救敲低METTL3 抑制的TGF-β誘導(dǎo)的肺癌上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化［44］。

3.4 METTL3調(diào)節(jié)AKT信號(hào)通路

METTL3 或可通過(guò)改變癌細(xì)胞中的信號(hào)通路影響癌癥的發(fā)展。Liu等［45］研究發(fā)現(xiàn)METTL3下調(diào)激活了凋亡相關(guān)蛋白的表達(dá)，并使人胃癌細(xì)胞中的AKT信號(hào)通路失活。下調(diào)METTL3 在體外抑制人胃癌中的癌細(xì)胞遷移和侵襲，這可能是通過(guò)修飾基因表達(dá)來(lái)促進(jìn)細(xì)胞凋亡和使AKT 信號(hào)通路失活而介導(dǎo)的。另一項(xiàng)在胃癌中的研究顯示，m6A抑制通過(guò)激活Wnt和PI3K-Akt 信號(hào)傳導(dǎo)促進(jìn)了GC 細(xì)胞的增殖和侵襲性，而m6A 升高逆轉(zhuǎn)了這些胃癌表型和分子變化［46］。此外，在肺癌細(xì)胞中，PI3K/Akt 通路與細(xì)胞生長(zhǎng)和存活有關(guān)，Wei 等［47］觀察到敲低METTL3 改變了PI3K 信號(hào)通路成員的蛋白表達(dá)和磷酸化。Liang等［48］發(fā)現(xiàn)在卵巢癌中，METTL3 下調(diào)降低了磷酸化AKT 及其下游效應(yīng)子（包括p70S6K 和Cyclin D1）的表達(dá)水平，使AKT 通路的激活水平下降。推測(cè)MET?TL3 可能通過(guò)AKT 信號(hào)通路在卵巢癌細(xì)胞中發(fā)揮致癌作用。

3.5 METTL3參與細(xì)胞凋亡

腫瘤組織中癌細(xì)胞的凋亡與METTL3 有密切關(guān)系，METTL3通過(guò)調(diào)節(jié)癌細(xì)胞的凋亡來(lái)影響癌癥的發(fā)展。有研究表明，METTL3的RNA和蛋白質(zhì)水平在急性髓細(xì)胞白血?。ˋML）細(xì)胞中的表達(dá)更為豐富。在人骨髓性白血病細(xì)胞系中，低表達(dá)的METTL3誘導(dǎo)受體小鼠細(xì)胞分化和凋亡并延遲白血病進(jìn)展［49］。同樣，在Liang 等［48］的研究中也發(fā)現(xiàn)了METTL3 的下調(diào)增加了促凋亡的Bax 和Caspase 3 的表達(dá)水平并降低了抗凋亡的Bcl2 的表達(dá)，導(dǎo)致卵巢癌細(xì)胞凋亡率增加。有研究發(fā)現(xiàn)METTL3 可直接甲基化Bcl-2，MET?TL3 和Bcl-2 表達(dá)水平呈正相關(guān)。METTL3 通過(guò)靶向調(diào)節(jié)Bcl-2來(lái)影響乳腺癌的進(jìn)程［33］。有研究報(bào)道，在前列腺癌中，METTL3 沉默降低了Hhedgehog 通路的重要組成部分GLI1 的m6A 修飾和表達(dá)，從而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡［50］。

4 總結(jié)與展望

綜上所述，METTL3 作為m6A 最主要的甲基化酶，在胃癌、乳腺癌、前列腺癌、卵巢癌等多種癌癥中發(fā)揮至關(guān)重要的作用，包括影響甲基化水平、癌癥相關(guān)基因mRNA 穩(wěn)定性、癌基因的表達(dá)、癌細(xì)胞信號(hào)通路和癌細(xì)胞凋亡等多種調(diào)節(jié)機(jī)制。METTL3 和受其調(diào)控的相關(guān)基因表達(dá)水平的改變，或許是利用分子療法治療癌癥的潛在標(biāo)靶。目前的一些研究顯示了METTL3調(diào)節(jié)癌癥的一些關(guān)鍵步驟，但仍需進(jìn)一步研究癌癥驅(qū)動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后修飾及翻譯等復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，洞悉METTL3在其中發(fā)揮的作用。

因此，深入闡明METTL3 在不同腫瘤的調(diào)節(jié)機(jī)制，完善癌癥發(fā)生發(fā)展調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于癌癥的治療具有重要的理論與實(shí)際意義。雖然一些研究有希望成為分子診療的靶點(diǎn)，但仍需進(jìn)行大量臨床試驗(yàn)，以確定METTL3在癌癥中潛在的診斷和治療功能。此外，METTL3是如何調(diào)節(jié)癌細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)代謝尚不明確，進(jìn)一步研究METTL3在癌細(xì)胞中的代謝機(jī)制，切斷癌細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)代謝，對(duì)癌癥的治療也至關(guān)重要。同時(shí)，積極開(kāi)發(fā)METTL3 小分子抑制劑，精確且有效地調(diào)節(jié)METTL3和受其調(diào)控的相關(guān)基因表達(dá)水平，為分子療法提供更加可靠的手段。