m6A RNA甲基化修飾影響惡性腫瘤及腫瘤干細胞生物學(xué)特性的研究進展

王馨藝 路一平 綜述 孫崢嶸 審校

N6-甲基腺苷(N6-methyladenosine，m6A)的甲基化修飾是表觀遺傳學(xué)中RNA編輯的重要組成部分，亦是近年來研究mRNA內(nèi)部修飾和真核生物轉(zhuǎn)錄后調(diào)控的主要方向之一[1-3]。m6A的甲基化不僅在正常生理活動中扮演著重要角色，同時對腫瘤細胞的侵襲、轉(zhuǎn)移以及腫瘤干細胞(Cancer stem cells，CSCs)分化和干性表型均可產(chǎn)生極其重要的影響。因此，本文主要針對m6A甲基化的概念、功能和作用機制、潛在治療靶點以及它們對惡性腫瘤及CSCs生物學(xué)行為產(chǎn)生的影響進行梳理，旨在為惡性腫瘤研究及治療提供新角度和參考依據(jù)。

1 m6A甲基化概念及生物學(xué)特性

m6A甲基化主要發(fā)生在RRm6ACH([A/G/U][3]m6AC[A/C/U])共有基序，是在“編碼器”、“解碼器”以及“讀碼器”三類修飾酶調(diào)節(jié)下進行的動態(tài)可逆反應(yīng)[4-5]。三類修飾酶中，第一類是“編碼器”，即具有介導(dǎo)m6A甲基化修飾作用的甲基轉(zhuǎn)移酶，它主要包括甲基轉(zhuǎn)移酶樣3(Methyltransferase like 3，METTL3)和甲基轉(zhuǎn)移酶樣14(Methyltransferase like 14，METTL14)。已有研究發(fā)現(xiàn)，m6A的裝配是在METTL3、METTL14以及腎母細胞瘤相關(guān)蛋白1(Wilms tumor 1-associated protein，WTAP)等構(gòu)成的“編碼器”復(fù)合物修飾下進行的[5-6]；第二類是“解碼器”，即可以將m6A甲基化抹去的去甲基轉(zhuǎn)移酶。其中，肥胖相關(guān)蛋白(Fat mass and obesity-associated protein，F(xiàn)TO)和Alkb同系物5(ALKBH5)是最常見的兩種“解碼器”；最后一類為“讀碼器”，即識別解讀m6A甲基化的調(diào)節(jié)蛋白，主要包括YT521-B同源(YT521-B homology，YTH)結(jié)構(gòu)家族中的蛋白—YTHDF和YTHDC及其相關(guān)亞型、核不均一核糖蛋白家族(Heterogeneous nuclear ribonucleoprotein，HNRNPs)、胰島素樣生長因子2(Insulin-like growth factor 2，IGF2)以及真核起始因子3(Eukaryotic initiation factor 3，eIF3)[7-8]。它們在與m6A的甲基化位點結(jié)合后，識別并解析其相關(guān)生物功能的指令，進而發(fā)揮調(diào)控下游分子的作用[9]。m6A甲基化正是在上述三種修飾酶的共同參與下，影響并調(diào)節(jié)惡性腫瘤的增殖、侵襲、轉(zhuǎn)移以及CSCs的特性和化療敏感性。

2 m6A甲基化修飾在惡性腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中的生物學(xué)作用

2.1 m6A“編碼器”對惡性腫瘤發(fā)生發(fā)展的影響

對腫瘤基因m6A甲基化修飾以及修飾前調(diào)節(jié)關(guān)系的研究有助于全面揭示m6A影響惡性腫瘤增殖的具體機制[10]?！熬幋a器”中的METTL3可以通過介導(dǎo)在SP1和SP2轉(zhuǎn)錄本編碼區(qū)的m6A甲基化來增強SP1和SP2的翻譯效率，進而促進急性髓細胞白血病(Acute myeloid leukemia，AML)的進展[11]；另一方面，METTL3的蛋白表達與m6A甲基化水平在前列腺癌中均顯著提高，且高表達的METTL3不僅有利于前列腺癌細胞的侵襲，還可以提高前列腺癌細胞的致瘤性[12]。此外，Yang等[13]研究發(fā)現(xiàn)，m6A修飾下的ZFAS1在宮頸癌細胞中不僅抑制miR-647的表達，同時也促進宮頸癌細胞的增殖與遷移。

相關(guān)研究顯示另一種“編碼器”—METTL14的表達水平在EB病毒(Epstein-Barr virus，EBV)感染的潛伏期顯著提高。METTL14通過誘導(dǎo)EBV潛伏抗原的m6A甲基化修飾來提高病毒潛在癌基因EBNA3C的表達水平，進而促進EBV轉(zhuǎn)化細胞的增殖，這表明METTL14可能是EBV誘發(fā)腫瘤的關(guān)鍵因素；另一方面，由于EBV是導(dǎo)致宮頸癌發(fā)生的重要致病因素之一，因此深入研究METTL14與EBV感染導(dǎo)致癌癥的機制對宮頸癌的研究具有重要意義[14]。除此之外，METTL3-METTL14形成的甲基轉(zhuǎn)移酶復(fù)合物也可以通過增強LNCAROD的穩(wěn)定性，提高癌細胞的增殖、遷移和侵襲能力，進而加快頭頸部鱗狀細胞癌的進展[2，15]。類似地，Wang等[16-17]研究發(fā)現(xiàn)，在肝細胞癌中甲基轉(zhuǎn)移酶樣16(Methyltransferase like 16，METTL16)的表達水平與患者的總體生存率呈正相關(guān)關(guān)系；此外，在肺癌中它可以通過上調(diào)細胞周期蛋白D1的表達水平來促進肺癌細胞增殖，這可能證明METTL16將在腫瘤研究中成為新的診斷生物學(xué)標志及治療靶點。

WTAP是一種保守核蛋白，此蛋白雖不具備甲基化活性，但可以通過與METTL3-METTL14形成復(fù)合物來影響細胞內(nèi)m6A的產(chǎn)生[18-19]。WTAP不僅通過HuR-ETS1-p21/p27軸介導(dǎo)的m6A甲基化來促進肝癌發(fā)展[20-21]，也可以通過m6A調(diào)節(jié)HMBOX1 mRNA穩(wěn)定性的方式來提高骨肉瘤細胞的致瘤性；此外，WTAP/HMBOX1也能通過PI3K/Akt通路調(diào)節(jié)骨肉瘤細胞的增殖和代謝[22]。因此，WTAP有望成為癌癥診斷的新生物標志物。

2.2 m6A“解碼器”對惡性腫瘤發(fā)生發(fā)展的影響

m6A的“解碼器”是具有逆轉(zhuǎn)m6A甲基化修飾功能的去甲基轉(zhuǎn)移酶。FTO通過調(diào)節(jié)m6A甲基化水平來調(diào)控mRNA的選擇性剪切。而ALKBH5主要調(diào)節(jié)mRNA轉(zhuǎn)運、RNA代謝以及核散斑內(nèi)mRNA加工因子的組裝[23-24]。此外，ALKBH3是近年來新發(fā)現(xiàn)的m6A去甲基轉(zhuǎn)移酶，與ALKBH5不同的是，ALKBH3可以優(yōu)先在tRNA的m6A甲基化位點發(fā)揮作用[25]。

Zou等[26]研究證明，F(xiàn)TO的表達水平與宮頸癌細胞的增殖、遷移和侵襲能力呈正相關(guān)關(guān)系。為了深入研究FTO的促癌機制，Niu等[27]通過對m6A RNA序列分析后發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)TO可以通過降低BNIP3表達水平來抑制乳腺癌細胞凋亡，這不僅有利于腫瘤細胞的增殖，也促進乳腺癌發(fā)生發(fā)展；此外，F(xiàn)TO也可以通過提高HOXB13的蛋白表達水平，從而激活Wnt信號通路，進而促進子宮內(nèi)膜癌的發(fā)展[28]。同時研究顯示，F(xiàn)TO可以通過阻止β球蛋白的m6A富集而降低宮頸癌細胞的化療敏感性[29]。

ALKBH5曾被報道在AML中具有腫瘤抑制因子的作用[30]。然而，Shen等[31]研究發(fā)現(xiàn)，在ALKBH5/m6A/TACC3/MYCp21通路調(diào)節(jié)下，ALKBH5與白血病細胞的轉(zhuǎn)化、AML發(fā)展以及白血病干細胞/起始祖細胞的自我更新息息相關(guān)。盡管m6A的其他調(diào)節(jié)蛋白也可以與AML的癌基因相結(jié)合，但ALKBH5是唯一與AML患者不良預(yù)后顯著相關(guān)，且在病程發(fā)展過程中可以調(diào)節(jié)癌基因表達并使其表達水平提高的調(diào)節(jié)因子。這項研究證明，在AML患者的診治中，ALKBH5能夠同時發(fā)揮清除白血病干細胞/起始祖細胞和保護正常造血系統(tǒng)不受損傷的作用，從而作為新型分子治療靶點。

2.3 m6A“讀碼器”對惡性腫瘤發(fā)生發(fā)展的影響

在惡性腫瘤的發(fā)生發(fā)展中，m6A的“讀碼器”具有提高其靶向結(jié)合癌基因表達水平的作用[32]。其中，YTHDF1和YTHDF3可以有效提高癌基因轉(zhuǎn)錄后的蛋白表達水平；YTHDF2能夠縮短mRNA半衰期，且特異性識別m6A，從而降低靶轉(zhuǎn)錄組的穩(wěn)定性[8，33]。此外，YTHDC1通過影響前體mRNA的選擇性剪接來調(diào)控靶向基因的mRNA表達水平[7]，而YTHDC2則通過促進核糖體-mRNA復(fù)合物分解，進而提高YTHDC2靶向結(jié)合蛋白的翻譯效率[34]。

m6A甲基化修飾也可直接在YTH結(jié)構(gòu)家族募集下進行[35]。Wang等[8]研究證明，YTHDF1可以影響核糖體占位并提高其靶mRNA的翻譯效率；另一方面，由于YTHDF2可以降低IL11以及SERPINE2的mRNA表達水平，這不僅能夠抑制肝細胞癌的癌細胞增殖，也可以延緩脈管系統(tǒng)的形成[36-37]。盡管YTHDF3的表達水平在結(jié)直腸癌中顯著降低，但YTHDC1在結(jié)腸癌中的表達水平呈升高趨勢[38]。除此之外，YTHDF1對結(jié)直腸癌的浸潤深度、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移過程和癌癥發(fā)展等癌性特征均起到促進作用；由此可見，YTHDF1表達水平的提高可能是導(dǎo)致結(jié)直腸癌患者不良預(yù)后產(chǎn)生的重要原因之一[38]。

IGF2BPs的結(jié)合位點由四個K同源結(jié)構(gòu)域以及兩個RNA識別模序組成[39]。Huang等[40]發(fā)現(xiàn)，IGF2BPs優(yōu)先與肝細胞癌的癌基因—MYC不穩(wěn)定編碼區(qū)的m6A甲基化位點相結(jié)合，并與MYC的表達呈正相關(guān)關(guān)系。在另一種“讀碼器”HNRNPs中，HNRNPC可以通過上皮—間質(zhì)轉(zhuǎn)化(Epithelial-mesenchymal transition，EMT)導(dǎo)致口腔鱗狀細胞癌的惡化[41-42]，而另一種“讀碼器”HNRNPA2B1可以通過上調(diào)脂肪酸合成酶ACLY和ACC1的表達水平來促進食管癌的發(fā)展[43]。除此之外，eIF3C是“讀碼器”eIF3的亞基，它可以通過與卵巢癌中高表達的YTHDF1特異性結(jié)合，進而發(fā)揮提高卵巢癌腫瘤細胞的增殖、遷移和侵襲的作用[44]。

3 m6A甲基化修飾影響CSCs的干細胞特性

3.1 m6A“編碼器”對CSCs的影響

CSCs雖然是惡性腫瘤中的一小部分，僅占0.05%～3%，但卻是目前惡性腫瘤治療工作中最核心的障礙[45]。m6A甲基化修飾通過增強CSCs干細胞特性，進而促進惡性腫瘤的發(fā)展[46]?，F(xiàn)有研究表明，m6A具有調(diào)節(jié)膠質(zhì)瘤干細胞(Glioma stem cells，GSCs)的自我更新、分化以及促進腫瘤發(fā)展的能力[47]；例如，METTL3可以使Notch通路中與惡性膠質(zhì)瘤相關(guān)的某些組成成分的表達水平提高。然而上述觀點仍存在爭議，部分研究發(fā)現(xiàn)METTL3和METTL14的表達水平與GSCs的增殖以及自我更新能力呈負相關(guān)關(guān)系[48]；此外，Zhang等[49]證明m6A通過增強結(jié)腸癌的CSCs特性使CSCs富集，導(dǎo)致結(jié)腸癌治療中化療抵抗的產(chǎn)生從而促進結(jié)腸癌的發(fā)展。

3.2 m6A“解碼器”對CSCs的影響

FTO的活性降低可以增強CSCs的干細胞特性、促進體內(nèi)腫瘤形成以及降低化療敏感性[50]。Su等[51]發(fā)現(xiàn)FTO通過靶向結(jié)合免疫防御基因—LILRB4，激活有殺傷T細胞特性的AML細胞，進而抑制CSCs的形成和免疫逃逸；類似地，當(dāng)FTO負向作用于3′，5′-環(huán)磷酸腺苷信號通路時，F(xiàn)TO可以有效抑制卵巢癌CSCs的干細胞特性從而延緩腫瘤進展[52]。此外，高表達的ALKBH5可提高GSCs的侵襲及抗輻射能力；由此證明，ALKBH5通過抑制腫瘤細胞侵襲能力、提高腫瘤細胞對放療敏感性的方式，有望作為惡性膠質(zhì)瘤治療的新靶點[53]。

3.3 m6A“讀碼器”對CSCs的影響

YTHDF1和YTHDF2分別具有促進結(jié)腸癌和肝癌CSCs的成球能力、自我更新能力以及分化過程的作用[54]。此外，IGF2BPs的另一亞型—IGFBP1可以通過m6A修飾來調(diào)節(jié)MGAT5的mRNA穩(wěn)定性，從而促進肝癌細胞的CSCs樣顯形；這不僅證明IGFBP1對肝細胞癌的CSCs生長具有促進作用，也表明IGFBP1可能是未來癌癥治療的重要靶點之一[55]。

4 小結(jié)與展望

m6A的發(fā)現(xiàn)為表觀遺傳學(xué)和腫瘤相關(guān)疾病的研究開辟了新視野，同時也為腫瘤調(diào)控機制的研究提供了新方向。大量研究表明，m6A甲基化修飾不僅影響腫瘤的發(fā)生發(fā)展和遠處轉(zhuǎn)移，而且在不同程度上也促進腫瘤細胞及CSCs的增殖、分化以及干性表達，從而起到降低腫瘤對放療和化療敏感性的作用。雖然科研人員已經(jīng)取得階段性的成果，但是仍需深入探索并明確METTL16、ALKBH5、HNRNPS以及eIF3等在惡性腫瘤及其CSCs發(fā)生發(fā)展過程中的作用機制。因此，在未來研究工作中需進一步明確m6A甲基化修飾的潛在分子調(diào)節(jié)機制，并將m6A的理論研究應(yīng)用于臨床實踐，從而對惡性腫瘤的研究和治療工作發(fā)揮重要的指導(dǎo)作用。