m6A去甲基化酶ALKBH5與腫瘤發生、發展的研究進展

鄧云洋，孫達欣，梁萬旺，黃豐澤

(桂林醫學院附屬醫院乳甲外科，廣西 桂林 541000)

表觀遺傳修飾是指在細胞核中基因核苷酸順序不發生改變的前提下出現基因功能改變且在某種機制調節下可逆的一種修飾。其中N6-甲基腺嘌呤(N6-methyladenine，m6A)修飾是信使RNA(messenger RNA,mRNA)最常見的一種RNA修飾[1]。既往研究發現，m6A修飾調控紊亂可能影響mRNA的加工、降解以及翻譯過程，進而影響基因的表達，從而參與腫瘤的發生、發展過程[2]。隨著甲基化RNA免疫共沉淀結合高通量測序等技術的快速發展，發現m6A修飾可以在甲基轉移酶、去甲基化酶和解讀器蛋白的協同作用下完成[3]。其中m6A去甲基化酶包括肥胖相關蛋白(fat mass and obesity-associated protein，FTO)和ALKB同系物5(ALKB homolog 5,ALKBH5)[4]。有研究表明，FTO不僅在肥胖相關疾病中發揮關鍵作用，還參與多種腫瘤(如急性髓系白血病、膠質母細胞瘤和乳腺癌)的發生發展過程，同時另一種m6A去甲基化酶ALKBH5也與多種腫瘤(如結腸癌、胰腺癌、胃癌)的發生發展相關[5]。但ALKBH5參與腫瘤發生發展的機制尚未明確或存在爭議，仍需要進一步研究。目前，腫瘤治療已進入精準化時代，靶向治療成為腫瘤治療過程中的重要環節，但目前部分腫瘤仍缺乏有效靶點或產生耐藥現象。因此，ALKBH5極有可能成為參與腫瘤診斷以及治療的新靶點，現就ALKBH5與腫瘤發生、發展的研究進展予以綜述，以為腫瘤分子靶向治療提供新線索。

1 m6A去甲基化酶ALKBH5的結構及其組成

1983年，Kataoka等[6]從大腸埃希菌變異株中分離出一種新基因并命名為ALKB。至今，已經發現9種ALKB同系物，分別命名為ALKBH1～8，將FTO稱為ALKBH9[7-8]。其中ALKBH5是2-氧戊二酸酯和鐵離子依賴性核酸氧化酶，可催化RNA中m6A的去甲基化[9-10]。Feng等[11]鑒定了人ALKBH5的晶體結構，ALKBH5結構包含7個α-螺旋和9個β-折疊，ALKBH5的催化核心還包含依賴于α-酮戊二酸的雙鏈β折疊。與其他ALKB蛋白相比，ALKBH5的獨特“蓋”區在底物識別和催化中起著至關重要的作用，該蓋進一步分為兩個部分，分別稱為“Flip1”和“Flip2”。Flip1區域(殘基117-129)包含一個α-螺旋(α3)和一個β-鏈(β2)，Flip2區域包含一個長環。另外，Cys-230和Cys-267之間的二硫鍵對于ALKBH5與單鏈RNA/DNA的選擇性結合至關重要，這一發現促進了對ALKBH5底物識別特異性的理解。Xu等[12]使用誘變和等溫滴定量熱法結合實驗鑒定了ALKBH5的m6A結合口袋和參與m6A識別的關鍵殘基。研究發現，DEAD-box RNA解旋酶3的ATP結構域與ALKBH5的雙鏈β折疊結構域之間具有緊密聯系，并得出DEAD-box RNA解旋酶3充當ALKBH5調節mRNA或微RNA脫甲基化的“介體”這一結論[13]。Purslow等[14]進一步研究了溶液中ALKBH5的結構和動力學，并提供了ALKB蛋白處于無序構象狀態的第一個原子分辨率模型。

2 m6A去甲基化酶ALKBH5與腫瘤的關系

ALKBH5與多種腫瘤的增殖、遷移、侵襲、轉移密切相關，且在不同腫瘤中的表達水平及作用存在差異甚至相反，見表1。現根據已有的研究成果，簡要闡述ALKBH5與不同腫瘤發生發展的關系。

2.1ALKBH5與結腸癌 2020年全球癌癥統計報告顯示，結直腸癌的發生率居第3位，死亡率居第2位[15]。Guo等[16]使用微陣列技術鑒定了結腸癌組織和正常組織間長鏈非編碼RNA(long non-coding RNA,lncRNA)的表達情況，結果發現鑒定出的16種候選lncRNA在癌癥組織中明顯上調且lncRNA核富集轉錄本1(nuclear-enriched abundant transcript 1，

表1 ALKBH5在各種腫瘤中的表達、目標基因以及作用

2.2ALKBH5與胰腺癌 胰腺癌是一種較為常見的消化系統腫瘤，惡性程度極高。據統計2020年，胰腺癌因預后差而死亡的人數(466 000例)與病例數(496 000例)接近，是癌癥死亡的第七大主要原因[15]。He等[18]通過免疫印跡試驗顯示，與正常組織相比，ALKBH5在MIA-PaCa-2和BxPC-3癌細胞中明顯下調，進一步研究發現KCNK15和WISP2反義RNA1(KCNK15 and WISP 2 antisense RNA1，KCNK15-AS1)可被ALKBH5去甲基化且ALKBH5對KCNK15-AS1的去甲基化作用可上調其表達，隨后通過分析69對臨床胰腺癌和正常組織中KCNK15-AS1的表達，發現KCNK15-AS1在胰腺癌組織中顯著減少，并證實了KCNK15-AS1能抑制MIA-PaCa-2和BxPC-3細胞遷移和侵襲，因此推測ALKBH5通過m6A去甲基化修飾KCNK15-AS1使其表達上調，從而發揮抑制腫瘤發生、發展和轉移的作用，但具體機制尚不清楚。另外，Cho等[19]利用癌癥基因組圖譜和國際癌癥基因組聯盟數據庫并基于ALKBH5基因的表達，發現ALKBH5基因是一種新的預測胰腺癌預后的生物標志物，ALKBH5高表達患者的生存率提高，表明ALKBH5對胰腺癌的發生發展具有積極作用。Tang等[20]發現在胰腺導管腺癌細胞中ALKBH5下調，并闡明了一種新的m6A修飾機制，即ALKBH5通過下調Wnt通路抑制因子1 mRNA的m6A水平來抑制Wnt信號，從而在體內和體外減弱胰腺導管腺癌細胞的增殖、遷移、侵襲。Guo等[21]發現胰腺癌患者ALKBH5明顯下調，ALKBH5通過去甲基化作用使節律基因1 mRNA中m6A修飾水平下調，然而m6A修飾后的節律基因1 mRNA與YTH結構域m6A RNA結合蛋白2相互作用可促使節律基因1 mRNA降解，因此ALKBH5通過抑制此過程來上調節律基因1 mRNA水平，進而導致共濟失調毛細血管擴張突變蛋白-細胞周期檢測點激酶2-p53/細胞分裂周期25C信號通路重新激活，從而抑制胰腺癌細胞生長，發揮抑制腫瘤的作用，且p53誘導的ALKBH5轉錄激活還能作為一個反饋環調控胰腺癌中的m6A修飾。綜上所述，ALKBH5可抑制胰腺癌的發生發展，但具體機制尚不明確。

2.3ALKBH5與胃癌 胃癌在全球癌癥發病率中排名第五，死亡率排名第四[15]。Zhang等[22]發現，ALKBH5在胃癌中表達明顯上調，并通過挽救試驗發現lncRNA NEAT1是ALKBH5潛在的結合lncRNA，ALKBH5能通過去甲基化修飾lncRNA NEAT1使其表達上調，由于以往的研究證實lncRNA NEAT1過表達對胃癌的侵襲性和轉移有促進作用，推測ALKBH5通過降低lncRNA NEAT1的m6A甲基化促進胃癌的侵襲和轉移。綜上，ALKBH5與胃癌的侵襲、轉移有關并發揮促腫瘤的作用。

2.4ALKBH5與肺癌 2020年全球癌癥統計報告顯示，肺癌是全球第二大癌癥，也是全球癌癥死亡的主要原因[15]。既往研究表明，阻塞性睡眠呼吸暫停與腫瘤進展和腫瘤相關死亡率密切相關[23-24]。Chao等[25]在此基礎上發現間歇性缺氧狀態下小鼠肺腺癌細胞和皮下腫瘤中ALKBH5升高，隨后他們繼續在間歇性缺氧條件下敲除人肺腺癌細胞中的ALKBH5，發現這些細胞的增殖和侵襲受到明顯抑制，并發現ALKBH5能通過對轉錄因子叉頭框蛋白M1(forkhead box protein M1,FOXM1) mRNA m6A去甲基化修飾升高其表達，從而促進肺腺癌細胞的增殖和侵襲。Jin等[26]在非小細胞肺癌中發現m6A去甲基化酶ALKBH5通過降低YTH結構域蛋白家族介導的Yes相關蛋白(Yes-associated protein，YAP)mRNA表達和抑制微RNA(microRNA,miRNA/miR)-107/LATS2軸介導的YAP mRNA活性來抑制非小細胞肺癌腫瘤的生長和轉移。Zhu等[27]研究發現，ALKBH5在非小細胞肺癌組織和細胞中表達明顯上調，并推測ALKBH5通過m6A去甲基化修飾金屬蛋白酶組織抑制因子3 mRNA降低其穩定性，進而發揮促進非小細胞肺癌細胞惡性生物學特性的作用。

2.5ALKBH5與乳腺癌 女性乳腺癌現已超過肺癌，成為2020年全球癌癥發病率的主要原因，估計有230萬新發病例，占所有癌癥的11.7%，是全球癌癥死亡的第五大原因[15]。研究發現，必要的生理刺激(即缺氧)可以調節人類癌細胞RNA的m6A修飾，缺氧通過增加編碼核心多能因子的mRNA去甲基化，部分誘導乳腺癌干細胞表型[28-29]。通過實驗發現，缺氧可誘導雌激素受體陽性乳腺癌干細胞(MCF-7)和三陰性乳腺癌干細胞(MDA-MB231、SUM-159和MDA-MB-435)中ALKBH5的表達，ALKBH5可通過去甲基化修飾NANOG(一種含有同源異域結構域的轉錄因子)mRNA使其表達及穩定性上調。而多能性因子NANOG mRNA是原發腫瘤形成和遠處轉移所必需的，它在維持和規范癌癥干細胞中具有重要作用。因此，ALKBH5對乳腺癌的發生發展有促進作用，但具體機制還需進一步研究。

2.6ALKBH5與卵巢癌 卵巢癌是常見的女性生殖器官惡性腫瘤之一，發病率僅次于宮頸癌和子宮體癌，由于早期癥狀較隱匿，當出現臨床癥狀時，大多數(>70%)已為晚期[15]。因此，了解卵巢癌發展的分子機制對于推進其診斷和治療策略至關重要。Bcl-2是Bcl家族主要的抗凋亡蛋白，以往研究表明Bcl-1、Bcl-2在自噬和凋亡之間起重要作用[30-32]。Bcl-2與Bcl-1結合抑制自噬；相反，Bcl-2與Bcl-1分離可能是激活自噬的關鍵。因此，Zhu等[33]進一步發現上皮性卵巢癌組織中ALKBH5的表達明顯上調，ALKBH5通過m6A去甲基化修飾Bcl-2 mRNA使其表達上調，促進Bcl-2與Bcl-1的結合，抑制上皮性卵巢癌腫瘤細胞的自噬作用，進而發揮促腫瘤作用。Jiang等[34]發現在卵巢癌組織中被病原體相關分子激活的Toll樣受體通過激活核因子κB信號通路上調ALKBH5的表達，且ALKBH5能通過m6A去甲基化修飾NANOG mRNA，并使其表達下調，ALKBH5能通過參與構建卵巢癌腫瘤微環境促進腫瘤的發生發展，但NANOG mRNA表達異常在卵巢癌中的作用尚未闡明。在卵巢癌中ALKBH5通過去甲基化修飾上調相關mRNA表達，繼而在腫瘤細胞自噬、腫瘤微環境方面發揮促腫瘤作用，但具體機制仍需進一步研究。

2.7ALKBH5與膠質母細胞瘤 膠質母細胞瘤是最常見、最具破壞性的原發性惡性腦腫瘤[15]。Zhang等[35]發現在膠質母細胞瘤中ALKBH5表達明顯上調，其通過m6A去甲基化修飾FOXM1 mRNA使其表達上調，從而發揮促腫瘤作用。此外，咪唑并苯并嗪-5-硫酮MV1035可通過抑制ALKBH5來抑制膠質母細胞瘤細胞系的遷移和侵襲[36]。Liu等[37]研究發現，ALKBH5能通過m6A去甲基化修飾性別決定區Y框蛋白2 mRNA升高其表達，從而發揮抑制細胞凋亡、促進細胞增殖和替莫唑胺耐藥的作用。綜上所述，ALKBH5在膠質母細胞瘤中過表達并發揮促腫瘤作用，其抑制劑可顯著抑制腫瘤細胞系的遷移和侵襲，此外ALKBH5還參與替莫唑胺化療藥物的耐藥過程。

2.8ALKBH5與骨肉瘤 骨肉瘤是一種惡性腫瘤，目前的治療手段主要采取手術切除與化療相結合的方法，但轉移和復發的患者預后仍較差，5年總體生存率僅為20%[38]。研究發現，lncRNA漿細胞瘤轉化遷移基因1(plasmacytoma variant translocation 1，PVT1)在骨肉瘤患者中的表達顯著升高，lncRNA PVT1通過抑制miR-195并提高其靶蛋白表達促進骨肉瘤細胞的增殖、遷移和侵襲[39]。此外，在耐藥方面，lncRNA PVT1能通過激活肝細胞生長因子受體/磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B通路，靶向miR-152增強骨肉瘤細胞對吉西他濱的化療耐藥性[40]。Chen等[41]進一步發現，ALKBH5通過m6A去甲基化修飾lncRNA PVT1，從而抑制讀取器蛋白YTH結構域m6A RNA結合蛋白2與lncRNA PVT1的結合，使lncRNA PVT1表達上調發揮促進骨肉瘤轉移和增殖的作用。然而，有研究發現，ALKBH5通過對YAP mRNA的直接/間接調控抑制骨肉瘤的進展，且與正常成骨細胞/組織相比，骨肉瘤細胞/組織中去甲基化酶ALKBH5水平下調[42]。綜上可知，ALKBH5參與骨肉瘤的發生、發展，同時發揮促進/抑制骨肉瘤細胞增殖、轉移的作用，并且間接增強了骨肉瘤細胞對吉西他濱的化療耐藥性。

3 小 結

ALKBH5參與多種腫瘤的發生發展和轉移過程，在不同腫瘤中表達水平不同，如在乳腺癌、胃癌、肺癌、卵巢癌、膠質母細胞瘤中表達明顯上調且發揮促進腫瘤發生發展的作用；相反，在結腸癌、胰腺癌中表達下調且發揮抑制腫瘤發生發展的作用。從機制上講，ALKBH5通過m6A去甲基化修飾目的基因，進而影響目的基因的表達，通過增強或減弱癌細胞的自我更新或調節癌細胞的自噬改變腫瘤微環境的方式來影響腫瘤細胞增殖、遷移、侵襲。另外，ALKBH5在影響腫瘤耐藥方面也起一定作用，因此ALKBH5作為一個潛在的靶向基因具有極大的臨床潛力，但仍需進一步研究來闡明其在不同腫瘤中的具體作用機制。