核糖體18S rRNA m6A甲基轉移酶METTL5的研究進展*

嚴媛麗， 林芷伊， 勾偉穎， 李西海

（福建中醫(yī)藥大學中西醫(yī)結合學院，福建 福州 350122）

N6-甲基腺嘌呤（N6-methyladenosine， m6A）即在腺苷酸的第6位氮原子處發(fā)生甲基化，是真核生物核糖核酸（ribonucleic acid， RNA）普遍的表觀遺傳修飾之一，存在于多種類型的RNA分子上，參與生物發(fā)生、穩(wěn)定性調節(jié)、半衰期控制和前體信使RNA（messenger RNA， mRNA）剪接、輸出及翻譯等諸多關鍵細胞過程。m6A甲基化修飾是一種動態(tài)可逆的過程，涉及到甲基化、去甲基化和甲基化修飾位點的識別，分別由m6A甲基轉移酶、m6A去甲基化酶和m6A甲基化閱讀蛋白介導［1-3］。近十年的研究已證實RNA的m6A修飾在基因表達和疾病進展的調節(jié)中發(fā)揮了重要作用，目前對于mRNA上的m6A修飾已進行了大量研究，并且有許多相關綜述，但對于占細胞總RNA含量80%以上的核糖體RNA（ribosomal RNA，rRNA）其m6A修飾的作用和機制尚有很多待揭示的問題。甲基轉移酶樣蛋白5（methyltransferase-like protein 5， METTL5）是近年被檢測到的特異性介導核糖體18S rRNA m6A修飾的甲基轉移酶，現(xiàn)對其研究進展進行綜述。

1 METTL5概述

1.1 METTL5的組織表達和亞細胞定位 METTL5在成人的大部分組織器官中均有所表達，其中在消化道的表達水平最高（檢索來源于人類蛋白圖譜：https：//www.proteinatlas.org/ENSG00000138382-METTL5/tissue）。Rong等［4］通過檢測20~70歲患者的各組織器官（包括腦、肌肉、血液、心臟、結腸和肺組織），觀察到METTL5在年輕患者的組織表達高于年老患者，且METTL5的表達隨著組織年齡的增長而下降，這意味著METTL5很可能在人類早期發(fā)育時期有更高的表達水平。在Rong等研究之前，Richard等［5］在人類胚胎早期發(fā)育時期（受精后8周）的小腦皮層、海馬體和紋狀體中也檢測到METTL5的蛋白表達，但胚胎發(fā)育期間的METTL5表達水平是否高于成年時期，METTL5在年老組織中表達減少是否為應對衰老相關應激的自然過程，目前尚不清楚，還需要后續(xù)的研究來闡釋。

METTL5在細胞中的定位主要包括細胞質及核仁。在COS-7、HEK293T和U2-OS等細胞系中檢測到METTL5主要定位于核仁，且在細胞質中有一些彌漫性表達，而在HeLa和HepG2等細胞系中METTL5主要表達于細胞質［6］；在大鼠海馬神經(jīng)元中，METTL5主要表達于細胞核及樹突［7］；在果蠅S2R+細胞中，METTL5則主要存在于細胞質，少量定位于核仁［8］。METTL5亞細胞定位的差異說明其在不同的細胞類型中可能具有不同的功能，但仍需進一步的研究來解釋這種定位差異，METTL5與其底物相互作用的具體亞細胞位置也有待闡明。

1.2 METTL5介導核糖體18S rRNA的m6A修飾METTL5介導的m6A修飾位點位于核糖體18S rRNA的A1832，該位點的m6A修飾于多年就已被檢測到，但直到2019年才確定METTL5為催化這一反應的特異性甲基轉移酶［9］。Sepich-Poore等［7］和Tran等［9］研究顯示過表達METTL5可顯著升高18S rRNA A1832位點的m6A修飾，而沉默或突變METTL5基因后均降低了該位點m6A修飾水平，且A1832相鄰位點的甲基化修飾并不受影響。與其他的m6A甲基轉移酶相似，METTL5也是以復合體形式介導m6A修飾。Tran等研究表明METTL5需與tRNA甲基轉移酶活化物亞基11-2（tRNA methyltransferase activator subunit 11-2， TRMT112）形成異二聚才能穩(wěn)定存在，他們觀察到該復合體之間形成一個較大的疏水核心和平行的β-拉鏈，并且在S-腺苷甲硫氨酸周圍形成了一個保守的結合區(qū)，沉默TRMT112導致METTL5蛋白表達水平顯著降低［9］。不過TRMT112可以對多種甲基轉移酶進行變構調節(jié)，不知它所介導的不同甲基化過程是否存在相互作用。

18S rRNA的A1832位點位于核糖體的解碼中心附近，該位點的m6A修飾可能是通過將解碼中心塑造為更容易與mRNA結合的構象，進而參與調節(jié)核糖體的翻譯活動。Tran等［9］觀察到A1832位點靠近小核糖體亞基解碼中心的h44-h45環(huán)，通過比較前體18S rRNA和成熟18S rRNA之間A1832位點周圍的結構，前體亞基顯示出更加松弛的構象，這種構象使METTL5-TRMT112復合體能夠甲基化A1832位點；Rong等［4］觀察到甲基化后的A1832位點在h44-h45環(huán)中與另一條附近的rRNA核糖甲基化修飾（Cm1703）進行非經(jīng)典堿基配對，作者提出這一作用可能導致構象變化，使解碼中心的rRNA更接近mRNA底物。目前關于A1832位點的m6A修飾對翻譯功能的調節(jié)作用尚有不同看法。Wang等研究顯示沉默METTL5對細胞整體mRNA翻譯沒有明顯影響［10］，這一研究結果與其他的研究并不一致（見下文）?？紤]到METTL5在不同細胞的定位差異，其對核糖體翻譯功能的影響是否也因此產(chǎn)生差別，或者是否因生物條件的不同導致METTL5與底物相互作用過程受到其他因子的調節(jié)，之后還需要有更多的研究來闡明其中的分子機制。

2 METTL5在惡性腫瘤的作用

2.1 METTL5在大部分惡性腫瘤中表達上調且影響預后 相較于癌旁組織或正常組織，METTL5在肝癌、乳腺癌、胰腺癌、肺癌、腎癌和子宮內(nèi)膜癌等多種惡性腫瘤中的表達均顯示上調，這些腫瘤組織中A1832位點的m6A修飾也顯著增高，且腫瘤的分期和分級越高，METTL5表達水平也越高，患者預后越差［11-13］。體內(nèi)外的研究均表明，METTL5促進了癌細胞增殖、遷移、侵襲和腫瘤發(fā)生［14］，而下調METTL5具有良好的抗腫瘤效果，可抑制癌細胞增殖和侵襲，誘導癌細胞凋亡，降低多種腫瘤標志物的表達［15］。與前述研究不同的是，Wang等檢測到胃癌組織的METTL5蛋白表達低于鄰近正常組織和鄰近腸化生組織，而高表達METTL5的患者預后較好［16］。METTL5在不同癌組織、腫瘤的不同分期或分級中的表達差異，提示其在組織器官中存在表達差異性，其作用機制也不盡相同。METTL5同家族的甲基轉移酶METTL14也存在類似的組織表達差異，例如乳腺癌組織中METTL14表達增加并促進了癌細胞的遷移和侵襲，而在結直腸癌中METTL14蛋白顯示下調并抑制癌細胞增殖和轉移［17］。

2.2 METTL5影響了肝癌細胞的糖脂代謝 利用異常的代謝信號通路來獲得所需能量是癌細胞能夠快速增殖的一個重要因素，在肝癌細胞中METTL5也主要通過調節(jié)代謝信號影響癌細胞活動。Peng等［18］的研究顯示，METTL5缺失可使肝細胞癌（hepatocellular carcinoma， HCC）細胞80S核糖體組裝受損，導致核糖體翻譯功能改變，核糖體測序結果顯示受影響的mRNA主要富集在脂肪酸生物合成途徑，并且癌細胞的游離脂肪酸、甘油三酯、膽固醇等脂質合成均顯著降低，作者進一步檢測了受METTL5敲除影響的長鏈脂肪酸的來源，結果顯示其主要來源于葡萄糖的生物合成，且大多數(shù)長鏈脂肪酸尤其是多不飽和脂肪酸含量隨著METTL5敲除顯著降低，而這些多不飽和脂肪酸主要由β氧化途徑分解而來，作者提出METTL5可促進脂肪酸的過度生成與氧化，使正常細胞轉化為癌細胞，而METTL5的缺失可能會損害癌細胞的β氧化。同年，Sepich-Poore等［7］的研究也顯示敲除人肝癌細胞METTL5后引起翻譯過程受影響的mRNA主要富集在膽固醇和脂質生物合成過程，他們接著在小鼠身上敲除METTL5，這些基因敲除小鼠出現(xiàn)體脂減少，受METTL5敲除影響的mRNA也主要參與脂質生物合成和儲存，此外，這些小鼠還出現(xiàn)了游離甲狀腺激素水平升高，這可能也是小鼠體脂減少的原因之一。

除了調節(jié)脂代謝，METTL5也參與調節(jié)肝癌細胞的糖代謝。Xia等［19］的研究顯示，METTL5介導18S rRNA m6A修飾可通過調控泛素特異性肽酶5的翻譯過程，增加原癌基因c-Myc的穩(wěn)定性，從而激活其下游糖酵解相關基因，影響癌細胞的糖代謝，促進肝癌細胞的增殖和轉移，而敲低METTL5可通過抑制Myc通路下調細胞程序性死亡-配體1的表達，抑制肝癌細胞的惡性行為。事實上，m6A甲基轉移酶METTL3和去甲基化酶FTO已被證實參與調節(jié)糖脂代謝過程，在肥胖癥、2型糖尿病、非酒精性脂肪肝和骨質疏松癥等代謝性疾病中均扮演重要角色［20］。Rong等［4］的研究也顯示，在METTL5突變的動物體內(nèi)參與內(nèi)質網(wǎng)未折疊蛋白反應（unfolded protein responses，UPR）的mRNA水平顯著增加，而UPR可參與調節(jié)營養(yǎng)及能量代謝，可見調控細胞的糖脂代謝過程是METTL5影響肝癌細胞活動的重要途徑之一。

2.3 METTL5在其他惡性腫瘤的作用機制 研究表明，由于癌細胞需要大量的營養(yǎng)來支持其過度生長，因此蛋白質翻譯活性在癌癥中普遍升高［21］，Rong等［4］在乳腺癌中檢測到，敲低癌細胞的METTL5，可導致翻譯起始因子與核糖體結合減弱，且與翻譯起始相關的p70核糖體蛋白S6激酶磷酸化水平降低，從而引起細胞整體翻譯水平下降、細胞生長受抑制、細胞凋亡明顯增加，METTL5的小分子抑制劑或許有望成為治療乳腺癌的潛在手段。

隨著腫瘤免疫療法的出現(xiàn)和逐步成熟，已有許多研究證實m6A修飾在腫瘤免疫調節(jié)中發(fā)揮重要作用，以下幾項研究顯示，METTL5對癌細胞的影響可能也涉及到免疫調節(jié)作用。Zhang等［11］檢測到腎癌組織中METTL5的共表達基因主要富集在Th17、Th1和Th2細胞分化以及磷脂酰肌醇3-激酶活性等免疫通路中；Wang等［16］在胃癌組織中也檢測到METTL5低表達組患者的基因主要富集在Fcγ受體介導的吞噬、Fcε受體I、趨化因子、T細胞受體和B細胞受體信號通路等免疫通路；Liu等［22］的研究顯示，在子宮內(nèi)膜癌細胞中METTL5與基因沉默、mRNA結合、嗅覺受體活性、抗原加工和呈遞、嗅覺轉導以及toll樣受體信號通路呈負相關關系。不過這幾項研究并未對測序結果進行驗證，后續(xù)的研究還需要進一步闡明METTL5在免疫調節(jié)中的角色。

3 METTL5在大腦發(fā)育異常的作用

越來越多的證據(jù)顯示，甲基轉移酶和其他表觀遺傳調節(jié)因子在神經(jīng)發(fā)育中發(fā)揮著重要作用，METTL5基因變異或缺失已被證明可引起小頭畸形、智力障礙等大腦發(fā)育異常。Richard等［5］對大腦發(fā)育異?；颊撸▉碜园突固埂⒁晾屎鸵查T）進行了基因測序，檢測到了MELLT5基因的變異，這些患者除了有大耳/后旋耳、寬鼻底、身材矮小、小頭畸形以及其他各種面部畸形，還伴有智力障礙、語言障礙或缺失等，他們接著在斑馬魚中敲低METTL5，證實METTL5的缺失可導致斑馬魚出現(xiàn)小頭畸形。之后Torun等［23］在來自阿富汗的大腦發(fā)育異常患者中也檢測到了METTL5基因變異，不過這些患者的運動系統(tǒng)功能是正常的，步態(tài)、聽力和視力均無異常［5，23］。METTL5的缺失對大腦功能的影響似乎主要體現(xiàn)在學習和記憶能力受損，而對于運動能力和自主行為并無明顯影響。Wang等［10］也觀察到敲除了METTL5基因的小鼠在水迷宮試驗中表現(xiàn)不佳，但其游泳能力并未受到影響。此外，Leismann等［8］在果蠅中的研究也顯示，敲除CG9666（果蠅上與人類METTL5同源的序列）減少了核糖體18S rRNA m6A修飾，且降低了果蠅的行走方向感。

神經(jīng)分化和髓鞘形成對包括學習能力和智力在內(nèi)的各種大腦功能都至關重要，目前的研究顯示METTL5也是通過調節(jié)這兩個過程影響大腦發(fā)育。Wang等［10］在小鼠胚胎干細胞（embryonic stem cells，mESCs）中敲除METTL5，觀察到mESCs的神經(jīng)分化能力明顯受損，不過METTL5敲除對未誘導分化的胚胎干細胞的整體mRNA表達沒有明顯影響，因此他們認為mESCs的自我復制并不受METTL5影響。Wang等［10］接著對METTL5敲除小鼠的腦組織進行RNA測序，結果顯示METTL5敲除小鼠的腦組織下調基因參與了神經(jīng)元的髓鞘形成和神經(jīng)遞質轉運過程，且腦組織中調控神經(jīng)發(fā)育和髓鞘形成的基因和蛋白表達均降低。先前的研究已證實m6A修飾對大腦神經(jīng)元和少突膠質細胞的分化發(fā)育、髓鞘形成以及學習記憶等神經(jīng)功能起著重要的調控作用［24］，不同類型的m6A修飾在大腦發(fā)育過程是否存在一個作用網(wǎng)絡，還有待后續(xù)的研究闡明。

4 METTL5在胚胎干細胞分化異常中的作用

除了Wang等［10］的研究，其他幾項研究也顯示METTL5在mESCs分化中起到重要作用。Xing等［25］觀察到METTL5缺失會導致小鼠mESCs出現(xiàn)顯著的分化缺陷，METTL5介導的18S rRNA m6A修飾促進了細胞分化關鍵調節(jié)因子F-box和WD重復結構域蛋白7（F-box and WD repeat domain containing protein 7， FBXW7）的高效翻譯，因此，METTL5缺失可降低FBXW7的表達水平，導致其底物c-myc的積累，進而抑制mESC分化。Ignatova等［26］的研究表明，mESCs中敲除METTL5會導致mESCs發(fā)生過早分化，細胞整體翻譯率下降、多能性自發(fā)喪失和分化潛力降低，METTL5敲除小鼠以非孟德爾率出生，并出現(xiàn)形態(tài)和行為異常。這兩項研究和Wang等［10］的研究都顯示敲除METTL5的mESC分化能力受損，尤其是神經(jīng)外胚層的分化，這也進一步支持了METTL5在大腦發(fā)育中的作用。

5 METTL5在心肌肥厚中的作用

隨著m6A修飾在心臟疾病中的作用被逐漸認識，METTL5在心臟生理和病理中的功能也開始被關注到。Han等［27］的研究顯示，METTL5是心肌肥厚中的翻譯調節(jié)因子，他們檢測到METTL5的mRNA和蛋白水平在人類心力衰竭的心臟中均有所降低，接著他們在小鼠心臟局部敲除METTL5，觀察到在心臟壓力過載誘導的情況下，METTL5的缺失可促進小鼠心肌細胞肥大、纖維化增加、不良重構和心力衰竭，在離體的小鼠心室肌細胞中敲除METTL5后，同樣觀察到心肌細胞呈肥大生長，進一步檢測顯示，METTL5促進了多梳抑制復合體2的核心成分SUZ12的翻譯，而過表達METTL5對離體心肌細胞肥大標志基因的抑制作用可通過敲低SUZ12部分恢復，不過在心臟壓力正常的情況下，局部敲除小鼠心臟METTL5并不會使心臟出現(xiàn)明顯異常，METTL5的缺失似乎僅僅只促進了壓力超負荷引起的心肌肥厚，這也說明了METTL5的作用會受到不同生物條件的影響。不過這一研究未在活體的心臟中特異性過表達METTL5，因此其在延緩心肌肥厚和心力衰竭進展中的治療潛力還有待進一步驗證。雖然目前尚不清楚METTL5調控翻譯過程的具體機制，但它對翻譯過程存在調控作用幾乎已成為共識。不少研究表明翻譯控制是調節(jié)細胞病理性肥大的重要因素［28-30］，對于存在細胞肥大導致組織病理性重塑的疾病，METTL5的翻譯調控作用或許是一個有意義的研究方向。

6 結語和展望

METTL5作為核糖體18S rRNA A1832位點的特異性甲基轉移酶，研究表明其參與多種惡性腫瘤、大腦發(fā)育異常、胚胎干細胞分化異常及心肌肥厚的發(fā)生和發(fā)展，提示其可能具有較大的臨床應用價值，有望成為相關疾病的預測指標和潛在治療靶點。但目前對于METTL5的認識還處于比較初始的階段，關于其研究仍有許多亟待解決的問題。例如：METTL5在不同組織的表達量和位置尚不完全清楚；METTL5與底物相互作用的亞細胞位置和機制也有待探索；既然m6A修飾是一種動態(tài)可逆的過程，核糖體18S rRNA A1832位點的m6A去甲基化酶是什么，機制又是如何；這些問題都有待進一步研究闡明。此外，隨著表觀轉錄組的發(fā)展，越來越多的RNA修飾被人們所認知，未來的研究可著眼于探究METTL5介導的m6A修飾與其他的RNA修飾或者其他細胞調節(jié)通路之間是否存在相互作用；在疾病研究中，已知METTL5可通過影響肝癌細胞的糖脂代謝調節(jié)癌細胞的活動，因此其在代謝性疾病中的作用亦值得關注。