N6-甲基腺嘌呤在糖脂代謝中的作用

張喆奇，趙青松(綜述)，成志鋒(審校)

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第四醫(yī)院內(nèi)分泌科，黑龍江 哈爾濱 150000)

目前，在細(xì)胞核糖核酸(ribonucleic acid,RNA)中發(fā)現(xiàn)了100多種化學(xué)修飾?？赡鍾NA修飾作為轉(zhuǎn)錄后基因調(diào)控的一個新興環(huán)節(jié)，參與了大量的生理過程并且發(fā)揮了重要的生物學(xué)功能[1]。作為一種新型的表切標(biāo)記，動態(tài)可逆的N6-甲基腺嘌呤(N6-methyladenosine,m6A)化學(xué)修飾是信使核糖核酸(messenger ribonucleic acid,mRNA)中最豐富的內(nèi)部修飾。在哺乳動物、植物和一些原核生物中，m6A廣泛參與mRNA的代謝，包括調(diào)節(jié)mRNA穩(wěn)定性、mRNA剪接、RNA成核、RNA-蛋白質(zhì)相互作用和mRNA翻譯[2]。m6A修飾在營養(yǎng)生理和代謝方面發(fā)揮重要作用，如葡萄糖的代謝、脂質(zhì)積累和脂肪形成[3]。 m6A模式的失調(diào)將造成基因表達(dá)和功能異常、細(xì)胞分化異常和細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)失衡，導(dǎo)致代謝性疾病發(fā)生[4]。因此，m6A RNA甲基化對生理和代謝的影響已成為近年來RNA甲基化研究領(lǐng)域的熱點。本文綜述了目前對m6A甲基化與代謝性疾病的認(rèn)識，包括m6A RNA甲基化的分子基礎(chǔ)、其調(diào)控機(jī)制以及m6A修飾與營養(yǎng)代謝之間的相互影響。

1 m6A RNA甲基化及其生物學(xué)功能

1.1m6A RNA甲基化 m6A是一種保守的翻譯后修飾，占所有RNA修飾的60%以上。20世紀(jì)70年代，在小鼠L細(xì)胞mRNA中發(fā)現(xiàn)了m6A修飾，由于當(dāng)時技術(shù)的限制，對m6A RNA甲基化的研究很少。近年來，研究人員對m6A進(jìn)行了特異性甲基化RNA免疫沉淀和下一代全轉(zhuǎn)錄組測序，結(jié)果顯示，m6A廣泛分布于mRNA上，占哺乳動物mRNA腺嘌呤中的0.1%～0.4%[5]。此外，m6A修飾位點預(yù)先聚集在終止密碼子和3′端未翻譯區(qū)，在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)節(jié)RNA代謝[6]。

負(fù)責(zé)m6A添加、去除和識別的蛋白可分為以下三組:寫入器、擦除器和讀取器[7]。動態(tài)和可逆的m6A模式是由甲基化酶和去甲基化酶共同調(diào)控的。m6A甲基轉(zhuǎn)移酶復(fù)合物，又稱“寫入器”，主要由甲基轉(zhuǎn)移酶3(methyltransferase-like 3,METTL3)和14(methyltransferase-like 14,METTL14)以及Wilms的腫瘤1-關(guān)聯(lián)蛋白(Wilms′ tumor 1-associating protein,WTAP)組成。少量的其他亞基，包括含13的鋅指CCCH型(zinc finger CCCH-type containing 13，ZC3H13)、甲基轉(zhuǎn)移酶16(methyltransferase-like 16,METTL16)和RNA結(jié)合基模蛋白15/15B(RNA binding motif protein 15/15B,RBM15/15B)，也有助于增強(qiáng)寫入器復(fù)合物的活性和特異性。去甲基酶被稱為“擦除器”，主要由脂肪量和肥胖相關(guān)蛋白(fat mass and obesity associated gene,FTO)和烷化修復(fù)同源物5(AlkB homolog 5,ALKBH5)組成。m6A結(jié)合蛋白，被稱為“讀取器”，主要分布在YTH蛋白家族[YTH結(jié)構(gòu)域家族1/2/3(YTH domain family 1/2/3,YTHDF1/2/3)和YTH結(jié)構(gòu)域包含體1/2(YTH domain containing 1/2，YTHDC1/2)]，核不均一核糖核蛋白(heterogenous nuclearribonucleoprotein,HNRNP)家族和胰島素樣生長因子2mRNA結(jié)合蛋白(insulin-like growth factor 2 mRNA-binding protein,IGF2BP)家族[8]。

1.2m6A的調(diào)節(jié)機(jī)制 m6A修飾過程是一個動態(tài)并可逆的甲基化和去甲基化過程，主要發(fā)生在細(xì)胞核內(nèi)。m6A由寫入器復(fù)合物催化，寫入器復(fù)合物包括核心蛋白METTL3、METTL14和WTAP以及部分m6A-修飾的調(diào)節(jié)亞基[9]。METTL3是第一個在甲基轉(zhuǎn)移酶復(fù)合物中與S-腺苷蛋氨酸結(jié)合的甲基轉(zhuǎn)移酶。METTL3和METTL14與核散斑共定位，形成穩(wěn)定的1∶1異源二聚體，協(xié)同增強(qiáng)甲基化能力。METTL3是結(jié)合S-腺苷蛋氨酸的催化亞基，而METTL14識別激活METTL3的RNA底物。METTL3-METTL14異源二聚體通過WTAP被招募到目標(biāo)RNA中，這是第一個結(jié)合的蛋白質(zhì)。這三個蛋白共同形成一個位于核斑點的保守復(fù)合物，介導(dǎo)m6A的修飾過程[9]。

FTO和ALKBH5是可以逆轉(zhuǎn)m6A甲基化的去甲基化酶(擦除器)。FTO脫甲基過程需要亞鐵離子和偏酮戊二酸鹽通過一個復(fù)雜的中間反應(yīng)使m6A脫甲基。首先，F(xiàn)TO氧化N6-甲酰腺苷(N6-formyladenosine，f6A)生成N6-羥甲基腺苷(N6-hydroxymethyladenosine，hm6A)，hm6A催化f6A的形成。最后，f6A形成腺苷(adenosine,A)，去甲基化過程完成。令人驚訝的是，F(xiàn)TO優(yōu)先去甲基化N6,2-O-二甲基腺苷(N6,2′-O-dimethyladenosine,m6Am)，而不是m6A[10]。通過改變FTO水平，mRNA帽端的m6Am通過去帽RNA 2破壞mRNA的去帽，通過敲低FTO而升高m6Am水平也增強(qiáng)了mRNA的穩(wěn)定性[11]。此外，F(xiàn)TO在小核核糖核酸(small nuclear ribonucleic acid,snRNA)生物中介導(dǎo)可逆的m6A mRNA甲基化[12]。這些發(fā)現(xiàn)提示內(nèi)部mRNA m6A位點可能與FTO底物無關(guān)。然而，Jiang等[13]證實，F(xiàn)TO可以有效地從純化的多聚腺苷酸化RNA中對m6A和m6Am脫甲基，其在細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中有不同的底物偏好。同時提示ALKBH5是另一種對m6Am無活性的強(qiáng)效m6A脫甲基酶[14]。這些研究揭示了m6A去甲基化的復(fù)雜機(jī)制及其調(diào)節(jié)酶的許多復(fù)雜之處。

與DNA甲基化相似，m6A修飾的生物學(xué)功能是由m6A讀取器蛋白調(diào)控以識別m6A位點。目前，已經(jīng)對YTHDF1-3、YTHDC1和YTHDC2的功能進(jìn)行了廣泛的研究。YTHDF1與翻譯起始因子相互作用，促進(jìn)m6A修飾的mRNAs帽端依賴性翻譯[15]。YTHDF3促進(jìn)YTHDF1介導(dǎo)的靶mRNA帽端依賴性翻譯，并與真核起始因子3(eukaryotic initiation factor 3,eIF3)相互作用，eIF3可能募集43S核糖體預(yù)起始復(fù)合物以提高帽端獨立翻譯效率。就mRNA衰變而言，YTHDF2選擇性識別m6A修飾位點，并通過招募CCR4-非去烯基酶復(fù)合物啟動這些轉(zhuǎn)錄物的降解。YTHDF3可能與YTHDF2相互作用，促進(jìn)靶向mRNA的衰變[16]。此外，YTHDC1通過招募富含絲氨酸/精氨酸的剪接因子3，在剪接過程中阻斷富含絲氨酸/精氨酸的剪接因子10，并在剪接過程中保留m6A修飾的外顯子，在mRNA剪接過程中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用。YTHDC2是YTH蛋白家族的最終成員，通過螺旋卷曲結(jié)構(gòu)域和5′-3′外切核糖核酸酶1特異的減數(shù)分裂促進(jìn)轉(zhuǎn)錄本的翻譯和降解[17]。除YTH蛋白外，核不均一性核糖核蛋白A2B1(heterogenous nuclear ribonucleoprotein A2B1，HNRNPA2B1)和核不均一性核糖核蛋白C(heterogenous nuclear ribonucleoprotein C，HNRNPC)是兩種定位于細(xì)胞核的RNA結(jié)合蛋白，對m6A依賴的核RNA處理事件非常重要[17]HNRNPA2B1直接與RNA的m6A位點結(jié)合，并與微小核糖核酸(micro ribonucleic acid，miRNA)微處理器復(fù)合蛋白DiGeorge綜合征臨界區(qū)基因8相互作用，以促進(jìn)METTL3介導(dǎo)的miRNA加工。HNRNPC與m6A修飾的mRNA相互作用，調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)切換。IGF2BP家族也促進(jìn)靶mRNA的穩(wěn)定和翻譯。綜上所述，對寫入器、擦除器和讀取器的動態(tài)調(diào)節(jié)是m6A介導(dǎo)的基因表達(dá)變化的基礎(chǔ)，這些變化可以對重要的基因表達(dá)譜和整體宿主健康產(chǎn)生廣泛的影響。

2 m6A和營養(yǎng)代謝

m6A在真核生物中廣泛存在，m6ARNA甲基化在許多生物學(xué)過程中發(fā)揮著重要作用。在分子水平上，m6A廣泛參與mRNA的代謝包括加工、剪接、成核、降解和翻譯。在哺乳動物中，m6A的動態(tài)變化調(diào)節(jié)著動物的生長、發(fā)育和代謝。m6A基因的修飾也與干細(xì)胞分化、人類慢性病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病和癌癥密切相關(guān)。在這里關(guān)注的是m6A甲基化與營養(yǎng)生理和新陳代謝之間的聯(lián)系。

2.1依賴FTO的m6A影響葡萄糖代謝 作為最普遍的RNA甲基化修飾，m6A對許多生物過程進(jìn)行了調(diào)節(jié)。m6A修飾的動態(tài)變化經(jīng)常改變信號分子和代謝通路相關(guān)基因的表達(dá)。因此，這些翻譯后的變化極大地影響了全身的新陳代謝，并表現(xiàn)出不同的生理功能。功能失調(diào)的m6A修飾可導(dǎo)致多種疾病的發(fā)生，包括肥胖、糖尿病[18],而高血糖、血脂異常、中心性肥胖等互為危險因素的組合稱為代謝綜合征[19]。

作為一種m6A脫甲基酶，F(xiàn)TO可能與總能量、脂質(zhì)和碳水化合物代謝有關(guān)。最近的證據(jù)表明，依賴于FTO的m6A修飾通過肝糖異生參與葡萄糖代謝[20]。在2型糖尿病中，低m6A水平與FTO表達(dá)相關(guān)，而與ALKBH5的表達(dá)無關(guān)。此外，F(xiàn)TO誘導(dǎo)叉頭盒蛋白O1(forkhead box protein O1，F(xiàn)OXO1)、葡萄糖-6-磷酸(glucose-6-phosphate，G6P)和二?；视蚈-?；D(zhuǎn)移酶2(diacylglycerol O-acyltransferase 2，DGAT2)的表達(dá)與血糖水平升高相關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)，在肝臟中，敲除FTO上調(diào)了FOXO1 mRNA上的m6A豐度，而FOXO1 mRNA是通過G6P調(diào)節(jié)肝臟糖異生的重要轉(zhuǎn)錄因子。此外，F(xiàn)TO正向調(diào)節(jié)激活轉(zhuǎn)錄因子4，該因子是G6P基因表達(dá)的正向調(diào)節(jié)因子，并促進(jìn)葡萄糖的產(chǎn)生。而糖尿病作為一種代謝性疾病，會對全身的組織器官造成損害[21]。

然而，F(xiàn)TO可以通過非m6A依賴性途徑調(diào)節(jié)葡萄糖代謝。FTO單核苷酸多態(tài)性可能通過改變鄰近基因表達(dá)來控制內(nèi)含子定位增強(qiáng)子的方式影響肥胖敏感性和代謝。FTO的過表達(dá)消除了瘦素誘導(dǎo)的脂肪細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子3的磷酸化，從而導(dǎo)致功能障礙。 FTO表達(dá)的增加也會提高CCAAT增強(qiáng)子結(jié)合蛋白β和環(huán)磷酸腺苷反應(yīng)元件結(jié)合蛋白1的表達(dá)，從而改變糖異生基因的表達(dá)[22]。

2.2依賴FTO的m6A調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝 m6A的FTO依賴性功能也調(diào)節(jié)脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)。FTO的過表達(dá)會增加小鼠脂肪積累并誘發(fā)肥胖，而敲除FTO則會降低脂肪量和肥胖發(fā)生率。FTO對脂質(zhì)積累的作用依賴于m6A修飾。有研究指出，F(xiàn)TO誘導(dǎo)m6A水平降低，三酰甘油(triglyceride，TG)沉積增加。然而，缺乏去甲基化活性的FTO突變體不能調(diào)節(jié)TG的含量，提示FTO通過調(diào)節(jié)肝細(xì)胞內(nèi)m6A的水平來調(diào)節(jié)脂肪代謝。前脂肪細(xì)胞中FTO的沉默顯著降低了關(guān)鍵的細(xì)胞周期調(diào)節(jié)因子[細(xì)胞周期素A2 (cyclin-A2，CCNA2)和細(xì)胞周期素依賴蛋白激酶 2 (cyclin-dependent protein kinase 2，CDK2)]，導(dǎo)致前脂肪細(xì)胞延遲進(jìn)入G2期;CCNA2和CDK2 mRNA的m6A水平也顯著上調(diào)。此外，m6A讀取器YTHDF2可以識別并降解甲基化的CCNA2和CDK2 mRNA，導(dǎo)致蛋白表達(dá)下降和細(xì)胞周期進(jìn)程延長，從而抑制脂肪生成，表明FTO通過控制m6A-YTHDF2依賴的方式控制細(xì)胞周期進(jìn)程來調(diào)節(jié)脂肪生成[23]。

其他蛋白質(zhì)也在FTO介導(dǎo)的脂質(zhì)代謝中發(fā)揮作用。環(huán)磷酸腺苷激活的蛋白激酶正向調(diào)節(jié)mRNA m6A甲基化水平，通過調(diào)節(jié)FTO表達(dá)和依賴FTO的m6A去甲基化負(fù)向調(diào)節(jié)脂質(zhì)積累。剪接因子絲氨酸/精氨酸豐富的剪接因子2(serine/arginine-rich splicing factor 2，SRSF2)可以識別外顯子剪接增強(qiáng)子(exonic splicing enhancers，ESEs)，誘導(dǎo)外顯子包涵體。FTO導(dǎo)致m6A近ESEs去甲基化，從而阻止SRSF2的招募，導(dǎo)致前脂肪細(xì)胞分化。FTO基因敲除介導(dǎo)的m6A修飾更有可能將SRSF2招募到其靶ESEs中，并促進(jìn)外顯子6的包涵體，從而抑制前脂肪細(xì)胞分化[24]。在脂肪分解和脂肪生成過程中，F(xiàn)TO表達(dá)的增加通過減少肉堿棕櫚基轉(zhuǎn)移酶1 mRNA上m6A修飾和抑制肝脂肪酸氧化，促進(jìn)了TG在肝臟中的積累。高脂飲食增加小鼠肝臟脂肪生成基因的表達(dá)，如乙酰輔酶A羧化酶1和脂肪酸合成酶，并降低肝臟脂解基因的表達(dá)，包括激素敏感脂肪酶和三酰甘油脂肪酶，這伴隨著FTO介導(dǎo)的m6A去甲基化活性。在人類肝癌細(xì)胞(human hepatoellular carcinomas，HepG2)細(xì)胞中，F(xiàn)TO的過表達(dá)也會降低了m6A水平，并且導(dǎo)致了包含硬脂酰輔酶A去飽和酶、單?；视蚈-酰基轉(zhuǎn)移酶1和脂肪酸合成酶在內(nèi)的的成脂基因的增強(qiáng)[23]。

綜上所述,FTO對葡萄糖和脂質(zhì)代謝產(chǎn)生影響有依賴于m6A和不依賴于m6A的兩種機(jī)制。然而，有幾個問題仍然存在:FTO是在何處、何時以及如何通過m6A影響葡萄糖和脂質(zhì)代謝的? 由于m6A修飾的動態(tài)性和可逆性，環(huán)境刺激或細(xì)胞信號可能導(dǎo)致m6A表達(dá)模式的顯著變化，這意味著在缺乏相關(guān)細(xì)胞信號的情況下，這些下游代謝功能可能不會被激活。因此，認(rèn)為FTO的調(diào)控作用在正常生理條件下可能與m6A無關(guān)，而在應(yīng)激或疾病條件下表現(xiàn)出對m6A依賴性通路的偏好。

2.3m6A甲基轉(zhuǎn)移酶調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝 m6A甲基轉(zhuǎn)移酶(METTL3、METTL14和WTAP)對營養(yǎng)代謝的調(diào)控仍不清楚。最近,Yao等[25]報道豬骨髓干細(xì)胞中METTL3的缺失可以通過增強(qiáng)YTHDF2依賴性Janus激酶1 mRNA穩(wěn)定性并激活脂肪細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子5來促進(jìn)脂肪生成。敲除METTL3通過抑制炎癥反應(yīng)而使豬腸道上皮細(xì)胞系J2中長鏈脂肪酸的吸收不良[26]。然而，Zhong等[3]觀察到METTL3或YTHDF2的敲低減少了HepG2細(xì)胞中的脂質(zhì)積累，并推測m6A RNA甲基化介導(dǎo)了生物鐘與脂質(zhì)代謝之間的串?dāng)_。

3 小 結(jié)

快速發(fā)展的m6A RNA修飾研究將繼續(xù)揭示與營養(yǎng)和代謝相關(guān)的潛在機(jī)制。m6A甲基化的動態(tài)性和可逆性在調(diào)節(jié)基因表達(dá)和生理穩(wěn)態(tài)信號通路中起著關(guān)鍵作用。另一方面，由于許多營養(yǎng)物質(zhì)和代謝物在此過程中起底物或輔助因子的作用，營養(yǎng)和代謝可以通過調(diào)節(jié)m6A甲基化模式來調(diào)節(jié)基因表達(dá)。

然而，要充分理解m6ARNA甲基化與營養(yǎng)和代謝生理學(xué)之間的分子串?dāng)_，仍然存在許多挑戰(zhàn)。目前尚不清楚m6AmRNA甲基化對宿主生理的精確調(diào)控和功能機(jī)制。此外，器官和組織之間的模式不同，如大腦、肝臟、脂肪和腸道，了解這種差異編程的起源是必不可少的[27]。許多研究已經(jīng)揭示了m6A甲基化對葡萄糖和脂質(zhì)代謝的影響,而影響蛋白質(zhì)、氨基酸和礦物質(zhì)代謝在很大程度上仍是未知的。研究m6A甲基化譜作為人類代謝性疾病診斷、預(yù)后和治療的組成部分的潛力還有待探索?；卮疬@些問題，理解m6A甲基化在營養(yǎng)和代謝中的重要作用，將為代謝性疾病提供新的治療方法。例如，敲除WTAP雜合基因的小鼠可以避免飲食引起的肥胖，從而提高胰島素敏感性[27]。未來對m6A甲基化相關(guān)抑制劑的探索可能為肥胖癥和代謝性疾病的治療提供一種潛在的方法。