m6A甲基化：糖尿病及其并發(fā)癥的關(guān)鍵驅(qū)動因素

汪 霞，張 娜(綜述)，張 琦，劉 靜(審校)

(1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省人民醫(yī)院老年醫(yī)學(xué)科，甘肅 蘭州 730000；3.甘肅省人民醫(yī)院內(nèi)分泌代謝病診療中心，甘肅 蘭州 730000)

糖尿病(diabetes mellitus, DM)是以高血糖、血脂異常為特征的代謝性疾病。2019年，全球20～79歲成人DM患病率為9.3 % (4.63億人)[1]。DM會引起許多并發(fā)癥，包括對幾乎所有重要器官(腎臟、心臟、大腦和肺)以及眼睛、周圍神經(jīng)和足部的損害。表觀遺傳變化存在于許多生理和病理過程中[2]。盡管從DNA修飾到蛋白質(zhì)修飾，表觀遺傳調(diào)控的多個方面在DM中已經(jīng)被廣泛研究，但對RNA修飾在基因表達(dá)調(diào)控中的作用才開始被探索[3]。m6A修飾是真核生物信使RNA( messenger RNA,mRNA)中最常見的內(nèi)部RNA甲基化修飾[2]，在調(diào)節(jié)細(xì)胞的基本生理過程和多種生理功能的基因表達(dá)中起著重要的作用[4]。m6A甲基化是基因表達(dá)的重要表觀遺傳調(diào)控。近年來的研究表明，m6A甲基化通過調(diào)節(jié)糖脂代謝和免疫炎癥[5]，在DM等代謝疾病的發(fā)展中發(fā)揮重要作用[6]。本文將對m6A甲基化及生物學(xué)功能以及在DM及其常見并發(fā)癥中的作用進(jìn)行綜述，期待為DM和其并發(fā)癥的預(yù)防和治療提供新的思路。

1 m6A修飾及生物學(xué)功能

1.1m6A修飾 真核生物RNA具有100多種的化學(xué)修飾，其中RNA甲基化修飾大約占所有RNA修飾的60%以上[7]，而m6A在甲基化修飾中最為普遍，占到了80%[6]。m6A修飾指的是RNA上的腺苷酸(adenylate,A)的第六位N發(fā)生甲基化[8]。mRNA最常見的內(nèi)部修飾包括m6A、N1-甲基腺嘌呤(N1-methyladenosine,m1A)、5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine,m5C)[9]等，用于維持mRNA的穩(wěn)定性。m6A甲基化修飾是一個高度動態(tài)、可逆的表觀遺傳修飾[10]，主要發(fā)生在細(xì)胞核中[6]。m6A不僅在mRNA中被發(fā)現(xiàn)，目前發(fā)現(xiàn)微小RNA(microRNA)和長鏈非編碼RNA(long non-coding RNAs,lncRNAs)等都有發(fā)生m6A修飾[5]。

1.2m6A生物學(xué)功能 參與m6A甲基化修飾的蛋白主要包括甲基化轉(zhuǎn)移酶、去甲基化酶以及甲基化閱讀蛋白等[10]。甲基化轉(zhuǎn)移酶一般也叫Writers，主要功能是在RNA加上甲基，是一類重要的催化酶，主要介導(dǎo)RNA的甲基化修飾過程[6]。Writers主要包括類甲基轉(zhuǎn)移酶3(methyltransferase-like 3,METTL3)、類甲基轉(zhuǎn)移酶14(methyltransferase-like 14,METTL14)、相關(guān)病毒樣m6A甲基轉(zhuǎn)移酶(vir-like m6A methyltransferase associated,VIRMA,也被稱為KIAA1429)、腎母細(xì)胞瘤1相關(guān)蛋白(wilms tumor 1-associated protein,WTAP)和RNA結(jié)合基序蛋白15(RNA binding motif protein 15,RBM15)[11]等。這些蛋白并不是各自孤立的，而是會形成復(fù)合物共同行使催化功能。去甲基化酶也叫Erasers，介導(dǎo)RNA的去甲基化修飾過程[11]，可以將RNA上甲基去除。Erasers主要包括脂肪量和肥胖相關(guān)蛋白(fat mass and obesity-associated protein,FTO)、α-酮戊二酸依賴性雙加氧酶alkB同源物3(α-ketoglutarate-dependent dioxygenase alkB homolog 3,ALKBH3)和α-酮戊二酸依賴性雙加氧酶alkB同源物5(α-ketoglutarate-dependent dioxygenase alkB homolog 5,ALKBH5)[6,11]。甲基化閱讀蛋白也叫Readers，參與下游RNA的翻譯、降解等過程[11]，主要識別RNA甲基化修飾的信息。Readers主要包括YTH結(jié)構(gòu)域包含蛋白1-2(YTHDC1-2)和YT521-B同源物(YT521-B homology,YTH)的YTH結(jié)構(gòu)域蛋白家族1-3(YTHDF1-3)[12]等。m6A酶類型及功能見表1。

表1 m6A酶類型及功能

Writers：甲基化轉(zhuǎn)移酶、Erasers：去甲基化酶、Readers：甲基化閱讀蛋白、METTL3：類甲基轉(zhuǎn)移酶3、METTL14：類甲基轉(zhuǎn)移酶14、WTAP：腎母細(xì)胞瘤1相關(guān)蛋白、KIAA1429/VIRMA：相關(guān)病毒樣m6A甲基轉(zhuǎn)移酶、RBM15：RNA結(jié)合基序蛋白15、FTO：脂肪量和肥胖相關(guān)蛋白、ALKBH3：α-酮戊二酸依賴性雙加氧酶alkB同源物3、ALKBH5：α-酮戊二酸依賴性雙加氧酶alkB同源物5、YTHDC1：YTH結(jié)構(gòu)域包含蛋白1、YTHDC2：YTH結(jié)構(gòu)域包含蛋白2、YTHDF1：YTH結(jié)構(gòu)域蛋白家族1、YTHDF2：YTH結(jié)構(gòu)域蛋白家族2、YTHDF3：YTH結(jié)構(gòu)域蛋白家族3

2 m6A甲基化與DM

2型糖尿病(type 2 diabetes,T2DM)，以高血糖、血脂異常為特征，其發(fā)病機(jī)制與不同水平的基因表達(dá)改變有關(guān)[6]。m6A修飾在血糖穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用[15]。m6A穩(wěn)態(tài)是通過m6A甲基化轉(zhuǎn)移酶復(fù)合物和去甲基化酶的協(xié)調(diào)調(diào)控實(shí)現(xiàn)的[2]。Bornaque等[16]研究報(bào)道，與正常志愿者相比，T2DM患者的外周血清中m6A的含量明顯降低，F(xiàn)TO和METTL3 mRNA的表達(dá)水平明顯升高，并且FTO mRNA表達(dá)水平的變化與葡萄糖水平變化相似。但是，Zha等[17]研究發(fā)現(xiàn)T2DM患者外周血中METTL3的表達(dá)水平較低，高糖可以抑制視網(wǎng)膜色素上皮(retinal pigment epithelium，RPE)細(xì)胞中METTL3的表達(dá)，并且上調(diào)METTL3可減輕高糖對RPE細(xì)胞的細(xì)胞毒作用，下調(diào)METTL3則有相反的作用。這與之前的研究結(jié)果不一致。因此，m6A甲基化轉(zhuǎn)移酶在DM中的作用仍有待研究。

Li等[18]研究發(fā)現(xiàn)METTL3在炎癥和氧化應(yīng)激條件下下調(diào)，胰島β細(xì)胞特異性缺失METTL3誘導(dǎo)β細(xì)胞衰竭和高血糖。Wang等[19]在糖尿病db/db小鼠和T2DM患者中，均觀察到胰島β細(xì)胞中METTL3、METTL14的表達(dá)降低，條件敲除METTL14可導(dǎo)致胰島β細(xì)胞胰島素分泌減少和血糖不耐受。這些研究結(jié)果表明METTL3和METTL14是維持胰島β細(xì)胞功能所必需的。METTL14已經(jīng)被證明可以與METTL3形成穩(wěn)定的異質(zhì)二聚體。但是在缺乏METTL14的胰島中，METTL3的水平略有升高而不是降低。因此，需要進(jìn)一步的研究為這一結(jié)果作出解釋，來明確METTL3和METTL14復(fù)合物在胰島中的作用機(jī)制。

3 m6A甲基化與糖尿病并發(fā)癥

3.1m6A甲基化與糖尿病腎病(diabetic nephropathy,DN) DN是DM常見的微血管并發(fā)癥之一，是一種慢性進(jìn)行性的腎臟疾病，最終可以導(dǎo)致終末期腎臟疾病的發(fā)生[20]。DN的病理特征包括腎臟的各種結(jié)構(gòu)和功能改變，包括腎小球和腎小管肥大、細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)積累、系膜基質(zhì)擴(kuò)張、足細(xì)胞功能障礙等[21]。m6A修飾可調(diào)節(jié)炎癥和凋亡，這是介導(dǎo)DN病理損傷的重要機(jī)制。足細(xì)胞損傷是蛋白尿腎病進(jìn)展中最重要的決定因素之一。Jiang等[2]發(fā)現(xiàn)m6A修飾在1型糖尿病(type 1 diabetes,T1DM)和T2DM小鼠的腎臟中顯著上調(diào)，并且是由METTL3水平升高引起的。此外，在DN患者的腎活檢中，也發(fā)現(xiàn)足細(xì)胞METTL3升高，并且與腎損害有關(guān)[2]。該研究進(jìn)一步證實(shí)足細(xì)胞條件敲除METTL3能顯著減輕鏈脲佐菌素(streptozotocin,STZ)誘導(dǎo)的糖尿病小鼠足細(xì)胞損傷和蛋白尿[2]。METTL14在人類疾病中的作用已被廣泛闡明。Li等[22]發(fā)現(xiàn)METTL14在DN患者的腎組織和高糖培養(yǎng)的腎小球內(nèi)皮細(xì)胞中上調(diào)，并且METTL14的過表達(dá)促進(jìn)了腎小球內(nèi)皮細(xì)胞的凋亡和炎癥反應(yīng)，加重了DN小鼠的腎損傷。Xu等[23]發(fā)現(xiàn)敲除METTL14可以保護(hù)腎臟免受腎缺血再灌注損傷。Lu等[24]也揭示了METTL14介導(dǎo)的m6A RNA修飾在DN小鼠或經(jīng)過阿霉素(adriamycin,ADR)處理的小鼠以及DN患者的腎組織中上調(diào)，并且發(fā)現(xiàn)敲除METTL14可通過促進(jìn)自噬、減輕凋亡和炎癥對受損足細(xì)胞起到保護(hù)作用。以上的研究結(jié)果揭示了METTL14、METTL3介導(dǎo)的m6A修飾在DN中的新功能，為了解DN中m6A修飾提供了一個新的視角，并且條件敲除METTL14、METTL3有可能是DN新的治療靶點(diǎn)。

3.2m6A甲基化與糖尿病視網(wǎng)膜病變(diabetic retinopathy,DR) DR是DM常見的微血管并發(fā)癥，是DM患者視力殘疾和失明的主要原因[25]。周細(xì)胞丟失、微動脈瘤和脫細(xì)胞毛細(xì)血管是糖尿病視網(wǎng)膜血管的重要病理特征[26]。Suo等[27]研究發(fā)現(xiàn)，DM應(yīng)激下小鼠視網(wǎng)膜和周細(xì)胞m6A RNA甲基化水平顯著上調(diào)，并且是由METTL3表達(dá)增加引起的。由此可見，METTL3參與DM誘導(dǎo)的視網(wǎng)膜血管并發(fā)癥的發(fā)生。此外，通過降低m6A甲基化可以抑制DM誘導(dǎo)的視網(wǎng)膜周細(xì)胞功能障礙，減輕視網(wǎng)膜血管并發(fā)癥[27]。這表明m6A甲基化是周細(xì)胞生物學(xué)的內(nèi)在調(diào)節(jié)因子。Yao等[28]發(fā)現(xiàn)條件敲除METTL3可以減少周細(xì)胞損失和DM引起的視網(wǎng)膜血管并發(fā)癥。但是，Zha等[17]發(fā)現(xiàn)高糖狀態(tài)可以抑制人RPE細(xì)胞中METTL3的表達(dá),并且過表達(dá)METTL3可以逆轉(zhuǎn)高糖對人RPE細(xì)胞凋亡和焦亡的促進(jìn)作用。相反，通過敲除METTL3來加重。這一研究結(jié)果說明METTL3過表達(dá)對高糖誘導(dǎo)的RPE細(xì)胞死亡起保護(hù)作用。因此，m6A RNA甲基化在DR中發(fā)揮的作用存在爭議，這些研究結(jié)果的不同可能與不同的組織來源有關(guān)。m6A RNA甲基化在DR中的作用機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

3.3m6A甲基化與糖尿病性心肌病(diabetic cardiomyopathy,DCM) DM不僅增加了心力衰竭的風(fēng)險(xiǎn)，而且使心力衰竭的病死率增加了2.5倍[29]。DCM是DM在發(fā)生發(fā)展中因代謝異常引起的一種特殊類型的心肌病，導(dǎo)致心肌葡萄糖消耗減少，酮代謝輕度增加，脂肪酸利用顯著增加[29]。研究表明，m6A修飾與正常的生物過程以及不同類型心臟病(如心肌肥厚、心臟重塑、心肌梗死和心力衰竭)的起始和進(jìn)展有關(guān)[30]。研究表明，F(xiàn)TO在哺乳動物缺氧的心肌細(xì)胞中表達(dá)下調(diào)，并且可以通過增加RNA中m6A的水平來降低心肌細(xì)胞的收縮功能[31]。Ju等[32]研究發(fā)現(xiàn)FTO在DCM模型小鼠中下調(diào)，DCM模型小鼠過表達(dá)FTO可通過減少心肌纖維化和心肌細(xì)胞肥大改善心功能。此外，F(xiàn)TO敲除可導(dǎo)致心功能受損，促進(jìn)心衰[30]。因此，過表達(dá)FTO有可能是DCM新的治療靶點(diǎn)。FTO介導(dǎo)的m6A去甲基化調(diào)控在DCM中的新作用，有助于擴(kuò)展今后在DCM進(jìn)展中對表觀遺傳調(diào)控的理解。m6A是lncRNA等RNA最重要的表觀遺傳調(diào)控之一。Meng等[33]研究發(fā)現(xiàn)在DCM大鼠心肌細(xì)胞中，METTL14表達(dá)下調(diào)。研究進(jìn)一步證實(shí)METTL14增加了末端分化誘導(dǎo)的非編碼RNA(terminal differentiation-induced non-coding RNA,TINCR) 基因m6A甲基化水平，通過下調(diào)TINCR來抑制DCM[33]。揭示了METTL14介導(dǎo)的m6A甲基化和lncRNA調(diào)控在DCM中的新作用。

3.4m6A甲基化與認(rèn)知障礙 DM是一種常見的慢性疾病。DM患者認(rèn)知障礙、抑郁和焦慮的患病率較高。研究表明，在T2DM患者中，輕度認(rèn)知障礙(mild cognitive impairment,MCI)的患病率約為45%[34]。認(rèn)知障礙是一種嚴(yán)重的糖尿病相關(guān)并發(fā)癥，嚴(yán)重挑戰(zhàn)著對未來衛(wèi)生資源的需求。盡管有報(bào)道稱輕度高血糖可增強(qiáng)認(rèn)知功能，但越來越多的證據(jù)表明，長期的高水平葡萄糖會導(dǎo)致神經(jīng)元死亡，并增加認(rèn)知障礙的風(fēng)險(xiǎn)[35]。海馬體是認(rèn)知和記憶的中心。因此，海馬神經(jīng)元損傷是這些患者認(rèn)知障礙發(fā)展的關(guān)鍵。越來越多的證據(jù)表明，m6A信號通過促進(jìn)小鼠大腦可塑性相關(guān)基因的翻譯，在學(xué)習(xí)和記憶中發(fā)揮重要作用。缺乏m6A甲基化轉(zhuǎn)移酶METTL3或METTL14的小鼠表現(xiàn)出突觸可塑性、學(xué)習(xí)和記憶鞏固的障礙；相反，通過抑制m6A去甲基化酶FTO的表達(dá)來增加m6A的含量，可以促進(jìn)小鼠記憶的鞏固[36]。由此可見，甲基化轉(zhuǎn)移酶缺失會導(dǎo)致神經(jīng)元發(fā)育缺陷和神經(jīng)元分化受損。

甲基化閱讀蛋白，如YTHDF1，也顯著參與突觸可塑性和神經(jīng)元發(fā)育[30]。研究表明，在神經(jīng)元刺激下，目標(biāo)轉(zhuǎn)錄物YTHDF1依賴的m6A蛋白合成促進(jìn)成年小鼠海馬的學(xué)習(xí)和記憶。YTHDF1基因缺失的小鼠表現(xiàn)出學(xué)習(xí)和記憶缺陷以及海馬突觸傳遞和長時程增強(qiáng)受損。Zhang等[37]發(fā)現(xiàn)YTHDF1表達(dá)下調(diào)會阻礙小鼠的精細(xì)運(yùn)動功能和學(xué)習(xí)記憶能力。這與之前的研究結(jié)果一致。Li等[38]研究發(fā)現(xiàn)高糖可上調(diào)YTHDC2和ALKBH5的表達(dá)，下調(diào)YTHDF1、YTHDF3和WTAP的表達(dá)。說明參與m6A修飾的酶類的異常表達(dá)在STZ誘導(dǎo)的糖尿病認(rèn)知功能障礙中起重要作用。此外，YTHDF1在海馬過表達(dá)不能逆轉(zhuǎn)糖尿病癥狀，但可以改善小鼠的認(rèn)知障礙[35]。證明YTHDF1可能是一種有前景的治療糖尿病認(rèn)知功能障礙的靶點(diǎn)。

以往的研究表明，無論是DM患者還是該疾病的大鼠模型，m6A的總體含量都較低。這些研究學(xué)者主要關(guān)注的是FTO，并發(fā)現(xiàn)它在DM患者和糖尿病大鼠的血液中都有升高。但Song等[35]研究發(fā)現(xiàn)DM大鼠海馬組織中FTO表達(dá)下調(diào)。這可能與不同的組織來源有關(guān)。因此，F(xiàn)TO在DM患者中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的作用仍有待研究。

3.5m6A甲基化與糖尿病足 糖尿病足是DM嚴(yán)重的慢性并發(fā)癥之一。糖尿病足的傷口愈合明顯延遲這是廣為人知的，這與皮膚表皮有關(guān)。表皮在皮膚傷口愈合中起著關(guān)鍵作用，其主要成分是角質(zhì)形成細(xì)胞。此前的一項(xiàng)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，DM患者皮膚組織的表皮明顯比對照組更薄。因此，表皮變薄可能是糖尿病創(chuàng)面延遲愈合的關(guān)鍵因素。有研究[39]表明，死骨片1(sequestosome 1,SQSTM1)是高糖處理的角質(zhì)形成細(xì)胞中的一個關(guān)鍵基因，與糖尿病并發(fā)癥有關(guān)，并且可能是通過自噬介導(dǎo)的。Liang等[39]觀察到Y(jié)THDC1在DM表皮角質(zhì)形成細(xì)胞中表達(dá)下調(diào)，并且YTHDC1基因的下調(diào)導(dǎo)致角質(zhì)形成細(xì)胞中SQSTM1核mRNA降解，影響角質(zhì)形成細(xì)胞的生物學(xué)功能(包括增加凋亡率和降低遷移能力)，延遲創(chuàng)面愈合。這些研究結(jié)果表明，YTHDC1基因的下調(diào)會影響角質(zhì)形成細(xì)胞的生物學(xué)功能。角質(zhì)形成細(xì)胞中YTHDC1的減少導(dǎo)致的細(xì)胞功能障礙和自噬障礙可能是糖尿病皮膚表皮變薄的原因之一。

4 小結(jié)與展望

近年來，在RNA修飾水平上對基因表達(dá)調(diào)控復(fù)雜性的認(rèn)識正在迅速發(fā)展。本文綜述了m6A 相關(guān)調(diào)控因子的生理功能以及在DM及其并發(fā)癥中的潛在作用。雖然已經(jīng)有大量的研究結(jié)果表明DM及其并發(fā)癥與m6A RNA修飾的功能作用相關(guān)，但對RNA修飾在基因表達(dá)調(diào)控中作用的研究還處于早期階段，仍有許多的知識空白有待填補(bǔ)。即使是在相同疾病的T2DM患者中，不同的研究小組也得出了有爭議的結(jié)論，這可能是受細(xì)胞環(huán)境等因素影響的。因此，還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)來解釋驗(yàn)證這些差異。

m6A修飾研究的快速發(fā)展可以幫助更深一步了解DM及其并發(fā)癥的發(fā)病機(jī)制，并其可能成為DM及其并發(fā)癥的新的治療靶點(diǎn)。但是，距離全面理解m6A修飾背后的機(jī)制還很遙遠(yuǎn)。未來對m6A修飾的研究可以集中在以下幾個方面：首先，在RNA攜帶的100多種化學(xué)修飾中，有多少存在于人類細(xì)胞尚不清楚；二是大量的臨床研究以及可作為早期診斷和預(yù)后預(yù)測因子的篩選因子；第三，有關(guān)m6A相關(guān)靶向DM及其并發(fā)癥治療的研究，可能為其治療提供新的潛在選擇。