甲基轉(zhuǎn)移酶樣蛋白3與腫瘤關(guān)系的研究進(jìn)展

熊磊，李顯永，張楠，李同海，朗磊

1昆明市中醫(yī)醫(yī)院,昆明 650000；2自貢市第四人民醫(yī)院

表觀遺傳學(xué)是遺傳學(xué)的一個(gè)分支，指在DNA序列不發(fā)生變化的情況下，基因功能出現(xiàn)穩(wěn)定可遺傳的變異，如：DNA甲基化、RNA修飾、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑、基因沉默等[1]。截至目前，已經(jīng)證實(shí)存在著上百種轉(zhuǎn)錄后RNA的修飾方式[2]。m6A是一種出現(xiàn)在腺嘌呤第六位氮原子上的甲基化修飾方式，廣泛存在于信使RNA(mRNA)、長(zhǎng)鏈非編碼RNA(lncRNA)、核糖體RNA(rRNA)、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA(tRNA)和小核RNA(snRNA)[3～6]，為最常見(jiàn)的一種RNA修飾方式，約占RNA甲基化修飾的80%[7]。研究表明，哺乳動(dòng)物中平均每條RNA存在3～5個(gè)m6A的修飾位點(diǎn)[8]。早在1970年，m6A修飾就在哺乳動(dòng)物細(xì)胞的RNA中被發(fā)現(xiàn)，隨后其第一個(gè)催化該修飾形成的甲基轉(zhuǎn)移酶樣蛋白3(METTL3)也被識(shí)別，但出于技術(shù)原因其功能一直未有詳細(xì)的報(bào)道。直至2011年，去甲基轉(zhuǎn)移酶FTO的發(fā)現(xiàn)革命性地揭示了m6A是一種動(dòng)態(tài)可逆的RNA修飾方式[9]。現(xiàn)有研究表明，m6A受甲基轉(zhuǎn)移酶復(fù)合體(METTL3、METTL14、WTAP)、去甲基轉(zhuǎn)移酶(FTO、ALKBH5)、結(jié)合蛋白(YTHDF1、YTHDF2、YTHDF3、YTHDC1、 YTHDC2)等協(xié)同調(diào)控[10]。METTL3作為經(jīng)典的甲基轉(zhuǎn)移酶復(fù)合體成員之一，不僅可以催化RNA的m6A修飾形成,發(fā)揮其生理作用，最新研究表明，它還具有獨(dú)立增強(qiáng)RNA翻譯的能力，從而影響多種疾病的發(fā)生、發(fā)展[11]。目前已有證據(jù)表明METTL3與急性白血病[12]、肺癌[11]、肝癌[13]等惡性腫瘤相關(guān)。現(xiàn)就METTL3在常見(jiàn)惡性腫瘤中的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 METTL3分子生物學(xué)特性

METTL3最初是從人宮頸癌細(xì)胞(Hela細(xì)胞)中解析出的一個(gè)70 kD的蛋白。研究發(fā)現(xiàn)METTL3蛋白分子包含對(duì)甲基轉(zhuǎn)移酶活性非常重要的兩個(gè)結(jié)構(gòu)域，分別為CMI-SAM(S-腺苷甲硫氨酸)結(jié)合結(jié)構(gòu)域，以及甲基轉(zhuǎn)移酶活性結(jié)構(gòu)域CMII[14]。近期研究[15]表明，METTL14并不發(fā)揮實(shí)際的催化活性，但可以與METTL3以1∶1結(jié)合形成穩(wěn)定的異質(zhì)二聚體，參與METTL3活性位點(diǎn)的變構(gòu)，并且發(fā)揮識(shí)別RNA底物的作用，兩蛋白共同定位于細(xì)胞核的核斑區(qū)催化m6A形成。盡管METTL3具有獨(dú)立的甲基化活性，但二者結(jié)合后能夠顯著地提升甲基化的催化效率。WTAP同樣不具備獨(dú)立催化m6A形修飾成的活性，但它可以發(fā)揮調(diào)節(jié)亞基的作用，協(xié)調(diào)METTL3/METTL14復(fù)合物的穩(wěn)定性并募集甲基轉(zhuǎn)移酶復(fù)合體(METTL3/METTL14/WTAP，MMW)在RNA上定位，促進(jìn)m6A修飾形成[16]。研究[17]發(fā)現(xiàn)，敲低Hela細(xì)胞中METTL3表達(dá)后可導(dǎo)致細(xì)胞總m6A的水平下降約30%。由此可見(jiàn)，METTL3是影響細(xì)胞m6A水平非常重要的酶。在后來(lái)的研究中仍有新的甲基轉(zhuǎn)移酶陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，例如VIRMA、HAKAI、ZC3H13、KIAA1429、WBM15等。

2 METTL3催化m6A修飾形成的生理作用

細(xì)胞RNA的m6A修飾形成發(fā)生在細(xì)胞核中，由甲基轉(zhuǎn)移酶復(fù)合體METTL3/METTL14/WTAP以SAM為甲基供體，將甲基轉(zhuǎn)移至腺嘌呤上；由于去甲基酶FTO、ALKBH5的存在，其在一定條件下又可去除RNA上的甲基化修飾；閱讀蛋白再通過(guò)識(shí)別、結(jié)合m6A修飾發(fā)揮相應(yīng)的生理作用。因此，細(xì)胞中RNA的m6A修飾過(guò)程是動(dòng)態(tài)可逆的，也就是說(shuō)m6A修飾對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控是動(dòng)態(tài)可逆的。

m6A的研究是表觀遺傳學(xué)中一個(gè)新的領(lǐng)域，存在著大量的未知，目前越來(lái)越多的證據(jù)表明其發(fā)揮著眾多的生理功能，與多種疾病相關(guān)。精原干/祖細(xì)胞的增殖、分化相關(guān)調(diào)控因子Plzf、Id4、Dnmt3b和Sohlh2 mRNA上分布著大量的m6A修飾，m6A缺失將導(dǎo)致精原干細(xì)胞的減少，m6A依賴性的RNA翻譯影響著某些蛋白的合成調(diào)控精子形成的后期階段[18]。m6A與閱讀蛋白YT521-B結(jié)合調(diào)節(jié)sxl基因的剪接，從而影響果蠅的性別[19]。此外，其他研究表明m6A修飾還與胚胎干細(xì)胞分化、體細(xì)胞重編程、DNA損傷修復(fù)、腫瘤的發(fā)生及進(jìn)展密切相關(guān)[20,21]。

3 METTL3在腫瘤進(jìn)展中的作用

3.1 METTL3促進(jìn)腫瘤的進(jìn)展 近年的研究表明，METTL3的表達(dá)異常與多種腫瘤相關(guān)(表1)。通過(guò)對(duì)癌癥基因組圖譜(TCGA)資料分析發(fā)現(xiàn)，常見(jiàn)腫瘤中METTL3表達(dá)豐度前三位依次為急性髓性白血病、彌漫性大B淋巴瘤、前列腺癌。因而推測(cè)高表達(dá)的METTL3可能與某些腫瘤的發(fā)生、進(jìn)展相關(guān)聯(lián)。后續(xù)的研究已經(jīng)證實(shí)METTL3通過(guò)sp1/c-MYC通路來(lái)維持白血病細(xì)胞生長(zhǎng)，METTL3的消耗將導(dǎo)致白血病細(xì)胞細(xì)胞周期停滯和細(xì)胞分化[12]。因此，METTL3在腫瘤研究中的意義重大。

表1 N6-甲基腺苷甲基轉(zhuǎn)移酶METTL3與腫瘤的關(guān)系

m6A對(duì)基因表達(dá)的影響主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控，例如對(duì)RNA的剪切、翻譯、成熟、出核、降解的調(diào)控[10]。一般認(rèn)為蛋白質(zhì)的合成都是在mRNA 的5′端由起始因子eIF4F與7-甲基鳥(niǎo)嘌呤(m7G)結(jié)合從而促使翻譯啟動(dòng)，然而Coots等[22]研究表明m6A修飾可以不獨(dú)立于eIF4F的活性而促進(jìn)mRNA的翻譯，當(dāng)消耗METTL3后，將會(huì)使5′UTR端存在m6A修飾的mRNA翻譯效率顯著下降。肺癌中的研究[11]則發(fā)現(xiàn)METTL3可以選擇性促進(jìn)終止密碼子附近存在m6A峰的mRNA的翻譯，例如腫瘤基因EGFR、TAZ、MAPKAPK2(MK2)和DNMT3A的mRNA，增加其腫瘤蛋白的表達(dá)，通過(guò)這一途徑增加癌細(xì)胞的增殖、侵襲能力。該研究還發(fā)現(xiàn)METTL3可以募集起始因子eIF3與翻譯起始復(fù)合物結(jié)合從而增強(qiáng)翻譯效率，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)細(xì)胞質(zhì)中的METTL3蛋白可以不依賴自身及其他甲基轉(zhuǎn)移酶的活性，其蛋白的N-端具有直接促進(jìn)目的基因翻譯的能力。下調(diào)METTL3表達(dá)，將明顯抑制肺癌細(xì)胞增殖、侵襲力，并增加細(xì)胞的凋亡。另一項(xiàng)肺癌的研究還發(fā)現(xiàn)，miR-33a可以直接靶向METTL3 mRNA的3′UTR區(qū)域?qū)ζ浔磉_(dá)發(fā)揮抑制作用，使METTL3下游的腫瘤基因EGFR、TAZ、MAPKAPK2和DNMT3A的蛋白表達(dá)也相應(yīng)地下調(diào)[23]。白血病的研究[24]也發(fā)現(xiàn)，m6A促進(jìn)了白血病細(xì)胞中癌基因c-MYC、Bcl-2和PTEN的翻譯，消耗METTL3后促使蛋白激酶B(AKT)磷酸化水平升高，誘導(dǎo)白血病細(xì)胞的分化和細(xì)胞凋亡，從而延緩白血病進(jìn)展。肝癌中研究[13]表明，METTL3催化靶基因細(xì)胞因子信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制因子2(SOCS2)的m6A修飾，并通過(guò)m6A-YTHDF2途徑促使其mRNA降解，抑制該基因的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)腫瘤的生長(zhǎng)。長(zhǎng)期的隨訪也發(fā)現(xiàn)高表達(dá)METTL3預(yù)示著不良的預(yù)后。Cai等[25]發(fā)現(xiàn)乳腺癌中存在著HBXIP/let-7g/METTL3/HBXIP正反饋回路，這一機(jī)制促進(jìn)了腫瘤細(xì)胞的增殖能力。綜上，METTL3催化的m6A修飾引起了某些腫瘤特異性mRNA行為的改變，導(dǎo)致腫瘤蛋白表達(dá)和腫瘤細(xì)胞生物學(xué)行為的改變，從而加速腫瘤的進(jìn)展。

3.2 METTL3抑制腫瘤的進(jìn)展 新的證據(jù)表明，METTL3并不是在所有腫瘤中都呈高表達(dá)，在某些腫瘤中亦呈低表達(dá)，其表達(dá)的上調(diào)能有效抑制腫瘤的進(jìn)展。m6A和m5c是RNA甲基化的兩種主要修飾方式。Li等[26]研究發(fā)現(xiàn)，NSUN2催化的m5c與METTL3/METTL14催化的m6A可以協(xié)同促進(jìn)由氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的衰老細(xì)胞中p21基因翻譯。p21作為細(xì)胞周期負(fù)調(diào)節(jié)因子，抑制細(xì)胞增殖，進(jìn)而發(fā)揮抑癌基因的作用，也就是說(shuō)METTL3催化的m6A可能在某些腫瘤中扮演抑癌基因的角色。研究[27]發(fā)現(xiàn)，腎癌組織中METTL3呈低表達(dá)，通過(guò)PI3K/Akt/mTOR途徑促進(jìn)腎癌細(xì)胞的增殖、生長(zhǎng)、克隆形成，并激活上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)增加腎癌細(xì)胞的遷移和侵襲能力；上調(diào)METTL3表達(dá)，將明顯抑制實(shí)體瘤的生長(zhǎng)。同時(shí)對(duì)預(yù)后的隨訪發(fā)現(xiàn)，METTL3高表達(dá)的病例擁有更長(zhǎng)的生存期。宮頸癌的研究[28]表明，與癌旁組織比較，癌組織中m6A呈低表達(dá)，并且m6A表達(dá)與腫瘤的大小、分期、分化、轉(zhuǎn)移及復(fù)發(fā)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，認(rèn)為是預(yù)測(cè)無(wú)病生存期和總生存期的一個(gè)獨(dú)立指標(biāo)。體外實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，敲低METTL3/METTL14后腫瘤細(xì)胞的增殖能力明顯增加。

然而METTL3在膠質(zhì)瘤中扮演的角色則存在一定的爭(zhēng)議。Cui等[29]發(fā)現(xiàn)METTL3與腦膠質(zhì)瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)，自我更新以及腫瘤的發(fā)生關(guān)系密切，敲低METTL3后多達(dá)2 600個(gè)轉(zhuǎn)錄本發(fā)生了改變，其中包括腫瘤基因ADAM19、EPHA3、KLF4表達(dá)的上調(diào)，抑癌基因CDKN2A、BRCA2、TP53I11表達(dá)的下調(diào)，METTL3表現(xiàn)出抑癌基因的作用。然而另一項(xiàng)研究則得出相反的結(jié)論，METTL3在腦膠質(zhì)瘤中呈高表達(dá)，通過(guò)METTL3促進(jìn)轉(zhuǎn)錄因子SOX2 mRNA 3′UTR區(qū)域的m6A修飾，并與RNA結(jié)合蛋白HuR結(jié)合增加SOX2 mRNA的穩(wěn)定性，發(fā)揮促癌基因作用[21]。

4 METTL3在腫瘤診斷和治療中的作用

在前列腺癌的研究中發(fā)現(xiàn)，高表達(dá)的METTL3具有與PSA聯(lián)合作為診斷前列腺癌診斷標(biāo)記物的價(jià)值[30]。相關(guān)研究還發(fā)現(xiàn)，下調(diào)METTL3后細(xì)胞株的m6A水平下降，相應(yīng)前列腺癌的生物學(xué)行為以及體內(nèi)成瘤能力受到明顯的抑制[31]。提示METTL3可能在腫瘤的診斷和治療中均發(fā)揮重要作用。

Gu等[32]研究表明，m6A修飾顯著促進(jìn)了亞砷酸鹽引起的支氣管上皮細(xì)胞向惡性轉(zhuǎn)化，下調(diào)METTL3可以有效逆轉(zhuǎn)細(xì)胞惡性表型，抑制細(xì)胞克隆形成，并促使細(xì)胞凋亡增加。由此說(shuō)明METTL3有可能參與了亞砷酸鹽誘導(dǎo)的腫瘤發(fā)生，下調(diào)METTL3表達(dá)可有效逆轉(zhuǎn)細(xì)胞惡性表型，這也表明METTL3有可能是腫瘤治療的一個(gè)潛在靶點(diǎn)。有研究[21]發(fā)現(xiàn)，m6A修飾介導(dǎo)了膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的DNA損傷修復(fù)，敲低METTL3后腫瘤細(xì)胞對(duì)放療的敏感性增加。另有研究也發(fā)現(xiàn),下調(diào)METTL3基因后，胰腺癌細(xì)胞對(duì)吉西他濱、5-氟尿嘧啶、順鉑等化療藥物和放療具有更高的敏感性[33]。在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中，機(jī)體的免疫系統(tǒng)通過(guò)多途徑消除或抑制其生長(zhǎng)。近年腫瘤的免疫治療也是腫瘤治療的一個(gè)重要方向。在T細(xì)胞的研究中還發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞因子信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制因子mRNA的m6A修飾水平下調(diào)，可以延緩mRNA降解并促進(jìn)其蛋白的表達(dá)，抑制下游的IL-7/信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活轉(zhuǎn)錄因子(IL-7/Stat5)信號(hào)通路，抑制幼稚T細(xì)胞的增殖和分化，維持T細(xì)胞的體內(nèi)平衡，證實(shí)MEETL3所參與催化的m6A修飾與免疫細(xì)胞密切相關(guān)[34]。

總之，METTL3的異常水平與人類(lèi)的多種疾病密切相關(guān)。目前發(fā)現(xiàn)，在不同腫瘤疾病中METTL3靶標(biāo)不同的基因，促進(jìn)其mRNA的m6A修飾形成或在細(xì)胞質(zhì)中獨(dú)立促進(jìn)某些基因的翻譯效率，調(diào)控腫瘤相關(guān)基因表達(dá)，發(fā)揮促癌或抑制基因的作用，從而影響腫瘤的發(fā)生和進(jìn)展。同時(shí)METTL3在腫瘤的治療效果中也表現(xiàn)出重要的作用。因此，METTL3為腫瘤的診斷及治療提供了一個(gè)新的方向。當(dāng)然，關(guān)于METTL3在腫瘤中發(fā)揮的具體機(jī)制以及與其他已知和尚未被鑒別的m6A相關(guān)酶的關(guān)系仍需進(jìn)一步探索。