m6A去甲基化酶FTO在脂質(zhì)代謝中的研究進(jìn)展

黃春曉, 郭雪瑩(綜述), 相新新(審校)

目前,與脂質(zhì)代謝紊亂相關(guān)疾病的發(fā)生率呈升高趨勢。其中肥胖、非酒精性脂肪肝為較常見的脂質(zhì)紊亂疾病,嚴(yán)重威脅著人類的生命健康與生活質(zhì)量[1]。研究脂質(zhì)代謝紊亂的發(fā)病機(jī)制十分重要。研究表明,N6-甲基腺嘌呤(N6-methyladenosine,m6A)修飾與脂質(zhì)代謝以及脂質(zhì)紊亂疾病的進(jìn)展密切相關(guān)。m6A是指腺嘌呤第6位氮原子發(fā)生了甲基化修飾,是真核信使RNA(messenger RNA,mRNA)中最豐富的表觀遺傳修飾,其主要分布在mRNA的3′非翻譯區(qū)(3′untranslated region,3′UTR)、轉(zhuǎn)錄起始區(qū)(transcription start site,TSS)以及序列編碼區(qū)(coding sequence,CDS)[2]。由m6A甲基轉(zhuǎn)移酶(m6A transmethylase)、m6A去甲基化酶(m6A demethylase)、m6A識(shí)別蛋白(m6A recognition protein)協(xié)同調(diào)控,從而發(fā)揮相應(yīng)生物學(xué)功能[3]。肥胖相關(guān)蛋白(fat mass and obesity-associated protein,FTO)作為m6A修飾主要的去甲基化酶,定位于細(xì)胞核,能夠通過Fe(II)/α-酮戊二酸和2-氧戊二酸依賴的方式動(dòng)態(tài)去除m6A甲基化修飾調(diào)控脂質(zhì)相關(guān)基因的表達(dá),從而調(diào)控脂質(zhì)代謝[4]。本文主要對FTO在脂肪、骨骼肌等組織和肝臟中脂質(zhì)代謝的作用和調(diào)節(jié)機(jī)制進(jìn)行綜述。

1 FTO生物學(xué)功能

FTO基因僅存在于脊椎動(dòng)物和少數(shù)幾種核苷酸和氨基酸序列高度保守的海藻中。人類FTO基因位于染色體16q12.2,全長約410.50 kb,包括9個(gè)外顯子和8個(gè)內(nèi)含子,編碼多種蛋白質(zhì)產(chǎn)物[5]。FTO基因上游包含色素性視網(wǎng)膜炎GTP酶調(diào)節(jié)因子相互作用蛋白-1(retinitis pigmentosa GTPase regulator-interacting protein-1-like,RPGRIP1L)基因的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn),且第一個(gè)內(nèi)含子含有轉(zhuǎn)錄因子CCUT樣同源盒1(CUT-like homeobox-1,CUX1)的結(jié)合位點(diǎn)。該位點(diǎn)與CUX1結(jié)合后促進(jìn)RPGRIP1L的表達(dá)。下游與易洛魁同源盒基因家族(包括IRX3、IRX5、IRX6)相鄰[6]。FTO作為m6A修飾的去甲基化酶,可與多種類型的RNA結(jié)合并將其去甲基化,如mRNA、snRNA和tRNA等,當(dāng)FTO發(fā)揮去甲基化作用時(shí),m6A修飾的原始位點(diǎn)不能被m6A結(jié)合蛋白(如YT521-B同源結(jié)構(gòu)域家族)識(shí)別,從而影響RNA的剪接、成熟、翻譯或降解[7]。FTO介導(dǎo)的RNA去甲基化可以調(diào)控脂質(zhì)合成過程,在多個(gè)脂肪生成基因mRNA的3′UTR區(qū)域發(fā)揮作用,如過氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferator-activated receptor γ,PPARγ)和固醇調(diào)節(jié)元件-結(jié)合蛋白-1c(sterol regulatory element-binding protein-1c,SREBP1c),從而影響甘油三酯和膽固醇的合成[8]。

2 FTO與脂質(zhì)代謝

2.1FTO在脂肪組織中的脂質(zhì)代謝 在脂肪組織中,FTO可以調(diào)節(jié)脂肪分化從而促進(jìn)脂肪生成和脂肪沉積。脂肪組織通過儲(chǔ)存和釋放能量維持機(jī)體穩(wěn)態(tài),分為白色脂肪組織(white adipose tissue,WAT)和棕色脂肪組織(brown adipose tissue,BAT)。WAT通過將甘油三酯堆積成大的脂滴來儲(chǔ)存化學(xué)能,而BAT通過非戰(zhàn)栗產(chǎn)熱消耗能量來應(yīng)對機(jī)體的需求[9]。缺氧誘導(dǎo)因子1亞基α(hypoxia inducible factor 1 subunit alpha,HIF1A)在促進(jìn)WAT的褐變和產(chǎn)熱中發(fā)揮關(guān)鍵作用。研究表明,在高脂喂養(yǎng)條件下構(gòu)建FTO敲除小鼠模型,發(fā)現(xiàn)缺失FTO可以促進(jìn)HIF1A和相關(guān)產(chǎn)熱基因的表達(dá),從而顯著增加白色脂肪細(xì)胞的褐變,在原代白色脂肪細(xì)胞中也驗(yàn)證了上述觀點(diǎn)[10]。脂肪細(xì)胞膜相關(guān)蛋白(adipocyte plasma membrane-associated protein,APMAP)在細(xì)胞分化過程中起關(guān)鍵作用,能夠促進(jìn)前脂肪細(xì)胞向成熟脂肪細(xì)胞轉(zhuǎn)化,從而調(diào)節(jié)脂肪生成。在兔原代前脂肪細(xì)胞中,發(fā)現(xiàn)過表達(dá)FTO通過與YTH結(jié)構(gòu)域家庭蛋白2(YTH m6A RNA binding protein 2,YTHDF2)的識(shí)別功能增加APMAP表達(dá),從而促進(jìn)脂質(zhì)沉積[11]。鋅指蛋白217(zinc finger protein 217,Zfp217)是參與FTO調(diào)控脂質(zhì)代謝的另一個(gè)重要因子,Zfp217可以與FTO啟動(dòng)子區(qū)域結(jié)合并增加其表達(dá),從而降低m6A水平,通過降低成脂基因PPARγ的表達(dá)來阻止脂肪分化[12]。已知miRNA130和miRNA155可以抑制CCAAT/增強(qiáng)子結(jié)合蛋白β(CCAAT-enhancer-binding protein β,C/EBPβ)引起的前脂肪細(xì)胞分化,而FTO可以通過m6A去甲基化下調(diào)miRNA130和miRNA155的表達(dá),導(dǎo)致3T3-L1前脂肪細(xì)胞中C/EBPβ的上調(diào)和前脂肪細(xì)胞分化增強(qiáng)[13]。此外,C/EBPβ還可降低脂肪細(xì)胞解偶聯(lián)蛋白-1(uncoupling protein-1,UCP-1)的表達(dá)并抑制UCP-1介導(dǎo)的向棕色脂肪細(xì)胞表型的轉(zhuǎn)化。UCP-1能夠通過脂肪酸氧化和電子傳遞活動(dòng)將能量以熱的形式釋放,在能量代謝過程中起重要作用[14]。Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子1(Runt-related transcription factor 1,RUNX1T1)是一種與脂肪生成相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子。在3T3-L1前脂肪細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)FTO通過增強(qiáng)m6A水平促進(jìn)富含絲氨酸和精氨酸的剪接因子2(splicing factor 2,SRSF2)的RNA結(jié)合能力,從而控制RUNX1T1的外源剪接,調(diào)節(jié)脂肪分化[15]。除此之外,自噬與脂質(zhì)代謝密切相關(guān),自噬可以控制脂肪細(xì)胞分化且促進(jìn)脂肪生成,在小鼠實(shí)驗(yàn)中敲除FTO可導(dǎo)致自噬相關(guān)因子ATG5和ATG7 mRNA修飾水平升高,脂肪生成減少[16]。FTO可以抑制脂肪細(xì)胞的脂肪分解。血管生成素樣蛋白4(angiopoietin-like protein 4,ANGPTL4)是甘油三酯在細(xì)胞內(nèi)外合成和水解的關(guān)鍵靶點(diǎn)。ANGPTL4可以抑制脂蛋白脂肪酶(lipoprotein lipase,LPL),從而抑制細(xì)胞外脂肪分解[17]。FTO以m6A修飾介導(dǎo)的方式與ANGPTL4 mRNA結(jié)合并降低其蛋白水平,從而促進(jìn)細(xì)胞外甘油三酯的水解。FTO通過下調(diào)UCP-1導(dǎo)致3T3-L1前脂肪細(xì)胞的線粒體解偶并降低脂肪分解[18]。易洛魁同源盒基因3(Iroquois homeobox 3,IRX3)在下丘腦中高表達(dá),可以抑制肥胖的發(fā)生。在小鼠實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)FTO基因的增強(qiáng)子通過下調(diào)下丘腦IRX3水平,抑制外周脂肪細(xì)胞的脂肪分解,還會(huì)減少產(chǎn)熱作用及增加WAT[19]。研究表明,RPGRIP1L通過降低瘦素敏感性來增加食物攝入量,FTO內(nèi)含子1的結(jié)合位點(diǎn)與轉(zhuǎn)錄因子CUX1相互作用,上調(diào)相鄰的RPGRIP1L來抑制瘦素受體轉(zhuǎn)運(yùn)和瘦素信號轉(zhuǎn)導(dǎo),從而導(dǎo)致熱量攝入增加和脂肪分解減少,促進(jìn)肥胖的發(fā)生和發(fā)展[20]。因此,在脂肪組織中FTO通過動(dòng)態(tài)調(diào)控m6A修飾參與脂肪生成相關(guān)基因表達(dá),從而影響脂肪組織生成。

2.2FTO在肝臟中的脂質(zhì)代謝 FTO表達(dá)異常會(huì)影響肝臟脂質(zhì)代謝,導(dǎo)致肝臟疾病的發(fā)生。研究發(fā)現(xiàn),敲除FTO通過增加靶向脂肪細(xì)胞衍生的白細(xì)胞介素6來緩解肝脂肪變性[21]。此外,在小鼠原代肝細(xì)胞中敲除FTO增加了脂肪酸合成酶(fatty acid synthase,FASN)mRNA水平以及YTHDF2的表達(dá),從而抑制了脂肪生成[21]。在非酒精性脂肪肝病患者的肝臟中觀察到FTO表達(dá)顯著增加,并且在肝臟中積累了大量脂肪[22]。在體外研究中,FTO的缺失可以減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激以及恢復(fù)線粒體功能,從而降低HepG2細(xì)胞棕櫚酸誘導(dǎo)的脂毒性[23]。而FTO過表達(dá)會(huì)降低m6A水平,從而導(dǎo)致HepG2細(xì)胞中脂肪生成相關(guān)基因上調(diào)以及促進(jìn)甘油三酯的積累,這與非酒精性脂肪肝病患者中觀察到的脂質(zhì)代謝異常一致。FTO表達(dá)水平異常會(huì)導(dǎo)致肝細(xì)胞過度脂質(zhì)沉積[24]。研究還發(fā)現(xiàn),在非酒精性脂肪肝病小鼠模型中,FTO通過SREBP1c途徑增強(qiáng)肝細(xì)胞脂質(zhì)合成和脂滴擴(kuò)大。SREBP1c是啟動(dòng)參與脂質(zhì)合成的下游基因轉(zhuǎn)錄的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子,其過表達(dá)導(dǎo)致小鼠廣泛肝脂肪變性[25]。除此之外,FTO還通過改變轉(zhuǎn)錄因子的活性來調(diào)節(jié)肝臟脂肪變性,轉(zhuǎn)錄激活因子4(acting transcription factor 4,ATF4)是一種主要的轉(zhuǎn)錄因子,在脂質(zhì)代謝中起著重要作用,ATF4缺乏引起小鼠肝脂肪生成相關(guān)基因表達(dá)水平降低以及極低密度脂蛋白產(chǎn)生減少,可以減輕小鼠肝臟因飲食及飲酒引起的脂肪變性。反之,過表達(dá)ATF4可以增強(qiáng)肝細(xì)胞中脂質(zhì)生成基因和蛋白表達(dá),導(dǎo)致甘油三酯水平升高[26]。同樣,在斑馬魚中過表達(dá)ATF4導(dǎo)致肝臟中脂質(zhì)積累增加,引起肝臟脂肪變性。FTO作為ATF4正向調(diào)節(jié)因子,FTO通過上調(diào)ATF4促進(jìn)肝臟脂質(zhì)積累[26]。FTO過表達(dá)會(huì)損傷肝細(xì)胞線粒體,抑制脂質(zhì)分解,導(dǎo)致肝臟中脂質(zhì)堆積。肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶1(carnitine palmitoyltransferase 1,CPT1)是一種長鏈脂肪酸進(jìn)入線粒體進(jìn)行β氧化的限速酶,CPT1的缺失會(huì)導(dǎo)致線粒體脂肪酸的缺失,從而引起肝細(xì)胞的氧化應(yīng)激[27]。過表達(dá)FTO通過降低CPT1 mRNA中的m6A水平和減少肝臟中的脂肪酸氧化來促進(jìn)肝臟甘油三酯的積累。在HepG2細(xì)胞中過表達(dá)FTO,氧化應(yīng)激生物標(biāo)志物丙二醛的水平顯著增加,而抗氧化酶超氧化物歧化酶的水平明顯受到抑制,氧化應(yīng)激進(jìn)一步加劇線粒體功能障礙并阻礙甘油三酯的分解[27]。此外,FTO過表達(dá)已被證明通過上調(diào)與線粒體融合有關(guān)的特定基因,同時(shí)下調(diào)與線粒體生物發(fā)生和裂變有關(guān)的基因,從而減少肝細(xì)胞線粒體的生物發(fā)生和數(shù)量,最終減弱線粒體功能并阻礙肝脂質(zhì)分解[24]。因此,在肝臟中FTO過表達(dá)促進(jìn)脂肪生成及脂滴增大,抑制脂肪酸氧化,同時(shí)損害線粒體并抑制脂質(zhì)分解,從而導(dǎo)致脂質(zhì)過度積累。

2.3FTO在其他組織中的脂質(zhì)代謝 目前除肝臟、脂肪組織外,FTO主要在骨骼肌中被證實(shí)具有調(diào)控脂質(zhì)代謝的作用,骨骼肌是脂質(zhì)攝取、儲(chǔ)存及利用的主要場所,也是人體最大的能量產(chǎn)生和消耗器官,還釋放各種參與全身代謝的因子。參與調(diào)控脂肪分解的脂肪酶主要包括單酰甘油脂肪酶(monoacylglycerol lipase,MAGL)、激素敏感脂肪酶(hormone sensitive lipase,HSL)和脂肪甘油三酯水解酶(adipose triglyceride lipase,ATGL)[28]。據(jù)報(bào)道,PPARβ/δ過表達(dá)可增強(qiáng)小鼠骨骼肌C2C12成肌細(xì)胞對脂質(zhì)的攝取,FTO通過抑制PPARβ/δ的表達(dá)導(dǎo)致骨骼肌脂質(zhì)攝取和代謝障礙,發(fā)生高脂血癥[29]。腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase,AMPK)是生物能量代謝的關(guān)鍵分子,在骨骼肌的脂質(zhì)代謝中發(fā)揮重要的作用[30]。研究發(fā)現(xiàn),在小鼠C2C12成肌細(xì)胞中AMPK通過上調(diào)FTO mRNA的m6A甲基化來防止骨骼肌纖維中過多的脂質(zhì)儲(chǔ)存。過氧化物酶體增殖物激活受體1α(peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1-α,PGC1-α)促進(jìn)線粒體生物合成,促進(jìn)骨骼肌中的脂質(zhì)氧化。當(dāng)胰島素缺乏時(shí),AMPK活性明顯受到抑制,導(dǎo)致FTO表達(dá)的上調(diào),從而抑制C2C12成肌細(xì)胞中PGC1-α的表達(dá)[30]。同時(shí),FTO的表達(dá)也抑制了C2C12成肌細(xì)胞中CPT1和CPT2介導(dǎo)的脂肪酸從細(xì)胞質(zhì)到線粒體基質(zhì)的β-氧化。這些脂質(zhì)氧化相關(guān)因子的下調(diào)嚴(yán)重破壞了骨骼肌中的脂質(zhì)利用。此外,當(dāng)AMPK活性受到抑制時(shí),FTO表達(dá)的增加促進(jìn)骨骼肌中C/EBPα的表達(dá)和脂質(zhì)合成[31]。β1腎上腺素能受體(adrenoceptor beta 1,ADRB1)基因?qū)儆贕蛋白偶聯(lián)受體超家族成員,主要分布于心血管系統(tǒng),可以通過介導(dǎo)體內(nèi)兒茶酚胺類物質(zhì)發(fā)揮生理效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn),在兔的肌肉組織和脂肪組織中增加m6A修飾水平會(huì)促進(jìn)ADRB1的表達(dá),進(jìn)而抑制脂肪細(xì)胞的分化,FTO通過上調(diào)ADRB1基因的表達(dá)以及下調(diào)ADRB1 m6A修飾水平,從而促進(jìn)脂肪細(xì)胞的分化[32]。因此,FTO通過靶向ADRB1影響m6A修飾水平從而調(diào)控脂肪細(xì)胞脂肪分化。在巨噬細(xì)胞中,FTO抑制脂質(zhì)攝取并加速膽固醇的排出。白細(xì)胞分化抗原36(CD36)是一種廣泛表達(dá)于細(xì)胞表面的2型清道夫受體,是介導(dǎo)巨噬細(xì)胞攝取細(xì)胞外脂質(zhì)的主要轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。研究發(fā)現(xiàn),FTO過表達(dá)會(huì)降低CD36 mRNA水平并降低小鼠腹腔巨噬細(xì)胞的脂質(zhì)攝取[33]。此外,FTO促進(jìn)小鼠巨噬細(xì)胞中AMPK磷酸化并上調(diào)ATP結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白A1(ATP-binding cassette transporter A1,ABCA1),從而抑制脂質(zhì)攝入,促進(jìn)膽固醇的排出,降低動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)展[34]。在小鼠內(nèi)皮細(xì)胞中,FTO的缺失通過增強(qiáng)AKT磷酸化水平防止高脂飲食誘導(dǎo)的胰島素抵抗和高胰島素血癥,還通過增加前列腺素D合成酶的表達(dá)水平從而保留阻力動(dòng)脈中的肌源性張力預(yù)防肥胖誘發(fā)的高血壓的發(fā)生[35]?？傊?FTO參與骨骼肌、巨噬細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞的脂質(zhì)代謝,其異常表達(dá)與動(dòng)脈粥樣硬化等疾病密切相關(guān)。

3 結(jié)語

FTO通過改變m6A mRNA修飾狀態(tài)以及與轉(zhuǎn)錄因子的相互作用來調(diào)節(jié)脂肪生成基因表達(dá),從而參與脂質(zhì)代謝的調(diào)節(jié),其異常表達(dá)會(huì)導(dǎo)致代謝性疾病的發(fā)生。FTO表達(dá)水平增高引起脂肪生成相關(guān)基因增加,促進(jìn)脂肪分化,那么降低FTO表達(dá)可能為治療脂質(zhì)代謝相關(guān)疾病提供新的治療方法,目前在篩選抑制FTO去甲基化酶活性的化合物時(shí),已鑒定出大黃酸、恩他卡朋等分子[36]。有報(bào)道,高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖和胰島素抵抗小鼠通過大黃酸治療可以減輕體重和肥胖,但這些抑制劑發(fā)揮作用的具體機(jī)制有待研究[37]。目前關(guān)于FTO抑制劑在脂質(zhì)代謝紊亂疾病中的研究較少,其作用及機(jī)制還需進(jìn)一步研究。目前關(guān)于FTO在脂質(zhì)代謝中的作用研究已經(jīng)取得了很好的進(jìn)展,但發(fā)生機(jī)制尚未完全明確,仍有許多問題值得進(jìn)一步研究。同時(shí)尚不清楚FTO如何選擇不同的m6A閱讀器蛋白產(chǎn)生不同的生物學(xué)效應(yīng),其他m6A去甲基化酶ALKBH5和ALKBH3在脂質(zhì)代謝中是否影響FTO的調(diào)控作用,以及未來有待發(fā)現(xiàn)新型去甲基化酶等。此外,脂質(zhì)代謝紊亂導(dǎo)致胰島素抵抗、高脂血癥和動(dòng)脈粥樣硬化等多種疾病與FTO介導(dǎo)的m6A甲基化密切相關(guān),使其成為潛在的治療靶點(diǎn)。因此,明確FTO在脂質(zhì)代謝中的作用及機(jī)制,能為防止脂質(zhì)代謝紊亂疾病提供新的思路和靶點(diǎn)。