m6A甲基化修飾與泌尿系統(tǒng)疾病的研究進展

黃亞鵬 紀衛(wèi)東 吳文起

近年來，RNA的化學修飾研究揭示了真核生物轉錄后基因調控的新機制，N6-腺苷酸甲基化(m6A)修飾作為最豐富的修飾類型，在mRNA的剪切、輸出、穩(wěn)定性和轉譯等方面起著重要的調控作用[1]。研究表明該修飾不僅影響胚胎和細胞分化，同時可以通過調節(jié)特定基因的翻譯或者降解，進而在細胞信號響應中發(fā)揮功能，并最終導致諸多疾病，如癌癥等[2]。研究報道腫瘤細胞的抗原決定簇多與m6A相關蛋白的表達失調有關，其不僅影響腫瘤生長、增殖、腫瘤侵襲、腫瘤遷移和轉移擴散，同時可以紊亂機體免疫監(jiān)測和局部反應壓力等[3]。以膀胱癌(bladder cancer, BCa)、前列腺癌(prostate cancer, PCa)和腎癌(renal cell carcinoma, RCC)為主的泌尿系腫瘤作為泌尿系統(tǒng)常見疾病，其發(fā)病機制未明，致病因素眾多，且發(fā)病率與死亡率呈現(xiàn)出明顯的遞增趨勢[4]。近年來，大量文獻報道m(xù)6A甲基化修飾在泌尿系腫瘤的發(fā)生、發(fā)展中發(fā)揮了重要的生物學功能，本文就m6A甲基化修飾在各泌尿系腫瘤發(fā)病過程中的研究進展做一綜述。

一、m6A甲基化修飾概述

傳統(tǒng)觀念認為，生物表型的決定權在于DNA的一級結構，即堿基對序列。但隨著對遺傳層面研究的日益深入，學界逐漸發(fā)現(xiàn)這一觀念已不足以解釋基因同表型之間的復雜聯(lián)系。Conrad Waddington最先于1942年提出“遺傳學”這一觀點，隨著半個世紀的發(fā)展，這一理念不斷完善，并在20世紀90年代日趨成熟[5]。經(jīng)典表觀遺傳學修飾的研究內容主要包括DNA甲基化、組蛋白修飾、非編碼RNA的調控、染色質重塑等[6]。但隨著研究的深入，研究者發(fā)現(xiàn)了新的研究熱點：轉錄后水平的修飾。主要的修飾方式包括：m6A、N1-腺苷酸甲基化(m1A)、5-胞嘧啶甲基化(m5C)，假尿苷(pseudouridine)、7-尿苷酸甲基化(7methylguanosine, m7G)、2′甲氧基修飾(2′O-methylated，2′OMe)、N6, 2′O-二甲基腺苷酸甲基化(N6,2′O-methylated, m6Am)。研究表明RNA上存在100余種化學修飾，其中以RNA甲基化修飾為主，廣泛分布于各種類型的RNA中，如mRNA、tRNA、snRNA和snoRNA等，其中mRNA內部修飾豐度最高的m6A在真核生物中存在最廣泛[7]。m6A甲基化修飾是指腺嘌呤在甲基化轉移酶的催化下，在第6位的N原子上添加一個甲基的修飾過程[2]。m6A甲基化修飾過程主要涉及3種蛋白：甲基轉移酶、脫甲基轉移酶及同修飾位點結合的蛋白酶。其中甲基轉移酶又稱寫入基因，目前發(fā)現(xiàn)的有METTL3、METTL14、METTL16以及配體蛋白WATP、VIRMA、ZC3H13、HAKAI、RBM15/15B，它們介導甲基基團轉導至RNA修飾位點的N原子上[8]。脫甲基轉移酶又稱擦除基因，目前發(fā)現(xiàn)的有FTO及ALKBH5，該酶負責RNA修飾位點N原子的甲基基團去除[9-10]。最后一種蛋白則是能同甲基化修飾位點結合發(fā)揮特殊功能的蛋白酶，又稱讀取基因，目前主要發(fā)現(xiàn)有YTHDFs(YTHDF1、YTHDF2和YTHDF3)和YTHDCs(YTHDC1和YTHDC2)兩種亞型[11]。

m6A甲基化修飾可以調節(jié)部分基因的mRNA甲基化水平，影響其蛋白表達，卻不涉及其DNA堿基對序列的改變，這種不遵循“中心法則”且與外界環(huán)境變化有著密切聯(lián)系的遺傳方式引起了學界極大的興趣[12]。長期以來，局限于傳統(tǒng)遺傳學理念，很多疾病的病因我們都無法做出合理解釋，傳統(tǒng)遺傳學理念的滯后性日益突出。越來越多的研究認為m6A甲基化修飾以其靈活多變的調控方式在多種疾病中發(fā)揮功能[13]，如m6A甲基化修飾與RCC、BCa、PCa等腫瘤進展都有著密切聯(lián)系[3]。本文將對m6A甲基化修飾在泌尿系腫瘤及其他泌尿系疾病中發(fā)揮的生物學作用進行闡述，希冀為臨床早期防治提供分子靶點和策略。

二、m6A甲基化修飾與泌尿系統(tǒng)腫瘤

1.m6A甲基化修飾與RCC：RCC以其復雜的生物過程和分子機制為人們熟知，長期以來的研究并未出現(xiàn)突破性進展，治療方式仍以手術切除為主，且往往預后不佳[14]?；谶@一現(xiàn)象，學界開始嘗試從表觀遺傳修飾尤其是m6A修飾層面進一步探討其遺傳調控機制。當前，已有部分文獻報道了m6A甲基化修飾在RCC發(fā)生、發(fā)展中的功能，Wang等[15]利用癌癥基因組圖譜(Cancer Genome Atlas, TCGA)數(shù)據(jù)庫根據(jù)腎透明細胞癌(clear cell renal cell carcinoma, ccRCC)不同的臨床病理特征，揭示出13種m6A RNA甲基化調節(jié)因子在ccRCC中的差異表達。而Chen等[16]的研究則首次展示了m6A轉錄組水平范圍內的人類ccRCC圖譜，分析m6A RNA異常修飾所調控的基因表達和癌癥相關通路，闡明了腫瘤與鄰近正常組織之間的m6A整體修飾模式的差異。Li等[17]則在組織芯片中檢測發(fā)現(xiàn)METTL3在腎細胞癌組織中的表達明顯高于癌旁組織，且在腎細胞癌細胞系(CAKI-1、CAKI-2和ACHN)中的表達也低于腎正常上皮細胞HK-2。細胞功能試驗和裸鼠皮下成瘤試驗表明METTL3下調可明顯促進癌細胞的增殖、遷移和侵襲功能，并引起細胞周期G0/G1的阻滯；此外，上皮間質轉化和PI3K-Akt-mTOR通路也發(fā)生了顯著變化。Gong等[18]和Wang等[19]的研究表明腫瘤組織中METTL14的低表達可能調節(jié)P2RX6 mRNA的甲基化水平來增加P2RX6 pre-mRNA的剪接，并影響ATP-P2RX6調節(jié)Ca2+介導的p-ERK1/2/MMP9信號來促進RCC細胞的遷移和侵襲。Zhuang等[20]的研究表明FTO蛋白在ccRCC中是下調的，F(xiàn)TO可以調節(jié)線粒體的生物發(fā)生和氧化磷酸化，同時在轉錄水平上誘導氧化應激，證明了FTO-PGC-1α信號軸通路在腫瘤細胞的生長和凋亡過程中發(fā)揮了重要作用?；谇罢叩难芯浚琙hou等[21]則利用大數(shù)據(jù)分析納入數(shù)據(jù)庫528例ccRCC患者的測序和拷貝數(shù)變化數(shù)據(jù)，結果表明，m6A調節(jié)因子的改變與病理分期有關。Strick等[22]進一步通過檢測臨床標本發(fā)現(xiàn)ALKBH5和 FTO蛋白在腫瘤組織中的表達趨勢相同，結合臨床資料發(fā)現(xiàn)ALKBH5和FTO mRNA水平的降低與腎切除術后腫瘤特異性生存率和總生存率的降低有關。

2.m6A甲基化修飾與BCa：研究表明m6A甲基化修飾在BCa的疾病進程中發(fā)揮了重要功能。Cheng等[23]研究發(fā)現(xiàn)METTL3在BCa組織中顯著上調，顯著促進BCa細胞的生長和侵襲；揭示了METTL3介導m6A甲基化修飾在BCa進展AFF4/NF-κβ/MYC信號通路的機制研究。接著Han等[24]研究發(fā)現(xiàn)METTL3可能通過與DGCR8蛋白相互作用，并以依賴于m6A甲基化修飾的方式調節(jié)pri-miR221/222的形成過程，并發(fā)揮致癌作用，這是首次研究報道METTL3調節(jié)非編碼RNA中的m6A甲基化修飾進而致瘤的綜合性研究。Yang等[25]的研究則進一步揭示了METTL3-m6A-CDCP1信號軸可與化學致癌物協(xié)同作用，共同促進尿上皮細胞在體內外的惡性轉化。Xie等[26]的研究也表明METTL3/YTHDF2 m6A軸可直接降解腫瘤抑制因子SETD7和KLF4的mRNA，從而促進BCa的進展。最后，Chen等[27]分析了TCGA 數(shù)據(jù)庫，并分析了其與BCa患者臨床病理變量之間的聯(lián)系，結果顯示 m6A RNA甲基化調節(jié)因子METTL3、YTHDF1在BCa中高表達，且與BCa患者不同的臨床病理變量存在聯(lián)系。

3.m6A甲基化修飾與PCa：目前m6A甲基化修飾在PCa進展中的機制研究較少。Cai等[28]研究發(fā)現(xiàn)m6A甲基轉移酶METTL3在PCa細胞系中過表達，進一步的機制研究表明METTL3可通過調控Sonic Hedgehog(SHH)-GLI信號通路來影響PCa細胞系的細胞增殖、存活、侵襲。Li等[29]則通過免疫組化染色和原位雜交發(fā)現(xiàn)PCa組織細胞中YTHDF2經(jīng)常上調，miR-493-3p均下調，兩者呈負相關；YTHDF2的敲除則顯著提高了細胞系m6A的水平，抑制了DU-145和PCa細胞系的增殖和遷移，且雙熒光素酶報告基因實驗證實YTHDF2是miR-493-3p的直接靶點；研究進一步揭示了YTHDF2和miR-493-3p作為兩個關鍵的m6A調節(jié)因子，通過間接調節(jié)m6A甲基化水平參與了PCa的進展。

三、m6A甲基化修飾與其他泌尿系統(tǒng)疾病

目前已有部分文獻報道了YTHDF2可調節(jié)巨噬細胞MAP2K4 mRNA的甲基化表達水平，促進促炎細胞因子的表達[30]；同時在LPS誘導的成骨細胞炎癥模型中，METTL3基因修飾的部分基因會被YTHDF2識別進而調節(jié)MAPK信號轉導激活炎癥反應[31]。這些研究表明m6A甲基化修飾在機體炎癥反應甚至是泌尿系統(tǒng)感染中也可能發(fā)揮了生物學功能。同時泌尿系結石疾病本身的特征便易受地域、飲食習慣、溫差等多種環(huán)境因素影響，這同m6A甲基化修飾為代表的表觀遺傳學遺傳特征高度吻合。

四、總結和展望

已有文獻報道泌尿系統(tǒng)感染同DNA甲基化為代表的表觀遺傳學存在著聯(lián)系[32]。以m6A甲基化修飾為代表的表觀遺傳學研究已在多種疾病尤其是泌尿系統(tǒng)腫瘤的發(fā)生、發(fā)展中顯示出其重要的生物學效應，為腫瘤的機制研究開辟了新的方向。這些m6A甲基化修飾調節(jié)因子可以通過調節(jié)不同的信號通路對腫瘤的生長、增殖、侵襲、轉移乃至凋亡等產(chǎn)生影響，對腫瘤患者的預后起著重要作用。同時其他泌尿系統(tǒng)疾病如泌尿系結石、尿路感染的疾病特征同m6A甲基化修飾為代表的表觀遺傳學遺傳特征高度吻合，因此存在著廣闊的研究前景。