N6-甲基腺嘌呤在糖脂代謝中的作用

張喆奇，趙青松(綜述)，成志鋒(審校)

(哈爾濱醫科大學附屬第四醫院內分泌科，黑龍江 哈爾濱 150000)

目前，在細胞核糖核酸(ribonucleic acid,RNA)中發現了100多種化學修飾。可逆RNA修飾作為轉錄后基因調控的一個新興環節，參與了大量的生理過程并且發揮了重要的生物學功能[1]。作為一種新型的表切標記，動態可逆的N6-甲基腺嘌呤(N6-methyladenosine,m6A)化學修飾是信使核糖核酸(messenger ribonucleic acid,mRNA)中最豐富的內部修飾。在哺乳動物、植物和一些原核生物中，m6A廣泛參與mRNA的代謝，包括調節mRNA穩定性、mRNA剪接、RNA成核、RNA-蛋白質相互作用和mRNA翻譯[2]。m6A修飾在營養生理和代謝方面發揮重要作用，如葡萄糖的代謝、脂質積累和脂肪形成[3]。 m6A模式的失調將造成基因表達和功能異常、細胞分化異常和細胞內穩態失衡，導致代謝性疾病發生[4]。因此，m6A RNA甲基化對生理和代謝的影響已成為近年來RNA甲基化研究領域的熱點。本文綜述了目前對m6A甲基化與代謝性疾病的認識，包括m6A RNA甲基化的分子基礎、其調控機制以及m6A修飾與營養代謝之間的相互影響。

1 m6A RNA甲基化及其生物學功能

1.1m6A RNA甲基化 m6A是一種保守的翻譯后修飾，占所有RNA修飾的60%以上。20世紀70年代，在小鼠L細胞mRNA中發現了m6A修飾，由于當時技術的限制，對m6A RNA甲基化的研究很少。近年來，研究人員對m6A進行了特異性甲基化RNA免疫沉淀和下一代全轉錄組測序，結果顯示，m6A廣泛分布于mRNA上，占哺乳動物mRNA腺嘌呤中的0.1%～0.4%[5]。此外，m6A修飾位點預先聚集在終止密碼子和3′端未翻譯區，在轉錄后水平調節RNA代謝[6]。

負責m6A添加、去除和識別的蛋白可分為以下三組:寫入器、擦除器和讀取器[7]。動態和可逆的m6A模式是由甲基化酶和去甲基化酶共同調控的。m6A甲基轉移酶復合物，又稱“寫入器”，主要由甲基轉移酶3(methyltransferase-like 3,METTL3)和14(methyltransferase-like 14,METTL14)以及Wilms的腫瘤1-關聯蛋白(Wilms′ tumor 1-associating protein,WTAP)組成。少量的其他亞基，包括含13的鋅指CCCH型(zinc finger CCCH-type containing 13，ZC3H13)、甲基轉移酶16(methyltransferase-like 16,METTL16)和RNA結合基模蛋白15/15B(RNA binding motif protein 15/15B,RBM15/15B)，也有助于增強寫入器復合物的活性和特異性。去甲基酶被稱為“擦除器”，主要由脂肪量和肥胖相關蛋白(fat mass and obesity associated gene,FTO)和烷化修復同源物5(AlkB homolog 5,ALKBH5)組成。m6A結合蛋白，被稱為“讀取器”，主要分布在YTH蛋白家族[YTH結構域家族1/2/3(YTH domain family 1/2/3,YTHDF1/2/3)和YTH結構域包含體1/2(YTH domain containing 1/2，YTHDC1/2)]，核不均一核糖核蛋白(heterogenous nuclearribonucleoprotein,HNRNP)家族和胰島素樣生長因子2mRNA結合蛋白(insulin-like growth factor 2 mRNA-binding protein,IGF2BP)家族[8]。

1.2m6A的調節機制 m6A修飾過程是一個動態并可逆的甲基化和去甲基化過程，主要發生在細胞核內。m6A由寫入器復合物催化，寫入器復合物包括核心蛋白METTL3、METTL14和WTAP以及部分m6A-修飾的調節亞基[9]。METTL3是第一個在甲基轉移酶復合物中與S-腺苷蛋氨酸結合的甲基轉移酶。METTL3和METTL14與核散斑共定位，形成穩定的1∶1異源二聚體，協同增強甲基化能力。METTL3是結合S-腺苷蛋氨酸的催化亞基，而METTL14識別激活METTL3的RNA底物。METTL3-METTL14異源二聚體通過WTAP被招募到目標RNA中，這是第一個結合的蛋白質。這三個蛋白共同形成一個位于核斑點的保守復合物，介導m6A的修飾過程[9]。

FTO和ALKBH5是可以逆轉m6A甲基化的去甲基化酶(擦除器)。FTO脫甲基過程需要亞鐵離子和偏酮戊二酸鹽通過一個復雜的中間反應使m6A脫甲基。首先，FTO氧化N6-甲酰腺苷(N6-formyladenosine，f6A)生成N6-羥甲基腺苷(N6-hydroxymethyladenosine，hm6A)，hm6A催化f6A的形成。最后，f6A形成腺苷(adenosine,A)，去甲基化過程完成。令人驚訝的是，FTO優先去甲基化N6,2-O-二甲基腺苷(N6,2′-O-dimethyladenosine,m6Am)，而不是m6A[10]。通過改變FTO水平，mRNA帽端的m6Am通過去帽RNA 2破壞mRNA的去帽，通過敲低FTO而升高m6Am水平也增強了mRNA的穩定性[11]。此外，FTO在小核核糖核酸(small nuclear ribonucleic acid,snRNA)生物中介導可逆的m6A mRNA甲基化[12]。這些發現提示內部mRNA m6A位點可能與FTO底物無關。然而，Jiang等[13]證實，FTO可以有效地從純化的多聚腺苷酸化RNA中對m6A和m6Am脫甲基，其在細胞核和細胞質中有不同的底物偏好。同時提示ALKBH5是另一種對m6Am無活性的強效m6A脫甲基酶[14]。這些研究揭示了m6A去甲基化的復雜機制及其調節酶的許多復雜之處。

與DNA甲基化相似，m6A修飾的生物學功能是由m6A讀取器蛋白調控以識別m6A位點。目前，已經對YTHDF1-3、YTHDC1和YTHDC2的功能進行了廣泛的研究。YTHDF1與翻譯起始因子相互作用，促進m6A修飾的mRNAs帽端依賴性翻譯[15]。YTHDF3促進YTHDF1介導的靶mRNA帽端依賴性翻譯，并與真核起始因子3(eukaryotic initiation factor 3,eIF3)相互作用，eIF3可能募集43S核糖體預起始復合物以提高帽端獨立翻譯效率。就mRNA衰變而言，YTHDF2選擇性識別m6A修飾位點，并通過招募CCR4-非去烯基酶復合物啟動這些轉錄物的降解。YTHDF3可能與YTHDF2相互作用，促進靶向mRNA的衰變[16]。此外，YTHDC1通過招募富含絲氨酸/精氨酸的剪接因子3，在剪接過程中阻斷富含絲氨酸/精氨酸的剪接因子10，并在剪接過程中保留m6A修飾的外顯子，在mRNA剪接過程中發揮重要的調節作用。YTHDC2是YTH蛋白家族的最終成員，通過螺旋卷曲結構域和5′-3′外切核糖核酸酶1特異的減數分裂促進轉錄本的翻譯和降解[17]。除YTH蛋白外，核不均一性核糖核蛋白A2B1(heterogenous nuclear ribonucleoprotein A2B1，HNRNPA2B1)和核不均一性核糖核蛋白C(heterogenous nuclear ribonucleoprotein C，HNRNPC)是兩種定位于細胞核的RNA結合蛋白，對m6A依賴的核RNA處理事件非常重要[17]HNRNPA2B1直接與RNA的m6A位點結合，并與微小核糖核酸(micro ribonucleic acid，miRNA)微處理器復合蛋白DiGeorge綜合征臨界區基因8相互作用，以促進METTL3介導的miRNA加工。HNRNPC與m6A修飾的mRNA相互作用，調節結構切換。IGF2BP家族也促進靶mRNA的穩定和翻譯。綜上所述，對寫入器、擦除器和讀取器的動態調節是m6A介導的基因表達變化的基礎，這些變化可以對重要的基因表達譜和整體宿主健康產生廣泛的影響。

2 m6A和營養代謝

m6A在真核生物中廣泛存在，m6ARNA甲基化在許多生物學過程中發揮著重要作用。在分子水平上，m6A廣泛參與mRNA的代謝包括加工、剪接、成核、降解和翻譯。在哺乳動物中，m6A的動態變化調節著動物的生長、發育和代謝。m6A基因的修飾也與干細胞分化、人類慢性病、神經系統疾病和癌癥密切相關。在這里關注的是m6A甲基化與營養生理和新陳代謝之間的聯系。

2.1依賴FTO的m6A影響葡萄糖代謝 作為最普遍的RNA甲基化修飾，m6A對許多生物過程進行了調節。m6A修飾的動態變化經常改變信號分子和代謝通路相關基因的表達。因此，這些翻譯后的變化極大地影響了全身的新陳代謝，并表現出不同的生理功能。功能失調的m6A修飾可導致多種疾病的發生，包括肥胖、糖尿病[18],而高血糖、血脂異常、中心性肥胖等互為危險因素的組合稱為代謝綜合征[19]。

作為一種m6A脫甲基酶，FTO可能與總能量、脂質和碳水化合物代謝有關。最近的證據表明，依賴于FTO的m6A修飾通過肝糖異生參與葡萄糖代謝[20]。在2型糖尿病中，低m6A水平與FTO表達相關，而與ALKBH5的表達無關。此外，FTO誘導叉頭盒蛋白O1(forkhead box protein O1，FOXO1)、葡萄糖-6-磷酸(glucose-6-phosphate，G6P)和二酰基甘油O-酰基轉移酶2(diacylglycerol O-acyltransferase 2，DGAT2)的表達與血糖水平升高相關。有研究發現，在肝臟中，敲除FTO上調了FOXO1 mRNA上的m6A豐度，而FOXO1 mRNA是通過G6P調節肝臟糖異生的重要轉錄因子。此外，FTO正向調節激活轉錄因子4，該因子是G6P基因表達的正向調節因子，并促進葡萄糖的產生。而糖尿病作為一種代謝性疾病，會對全身的組織器官造成損害[21]。

然而，FTO可以通過非m6A依賴性途徑調節葡萄糖代謝。FTO單核苷酸多態性可能通過改變鄰近基因表達來控制內含子定位增強子的方式影響肥胖敏感性和代謝。FTO的過表達消除了瘦素誘導的脂肪細胞信號轉導和轉錄激活因子3的磷酸化，從而導致功能障礙。 FTO表達的增加也會提高CCAAT增強子結合蛋白β和環磷酸腺苷反應元件結合蛋白1的表達，從而改變糖異生基因的表達[22]。

2.2依賴FTO的m6A調節脂質代謝 m6A的FTO依賴性功能也調節脂質穩態。FTO的過表達會增加小鼠脂肪積累并誘發肥胖，而敲除FTO則會降低脂肪量和肥胖發生率。FTO對脂質積累的作用依賴于m6A修飾。有研究指出，FTO誘導m6A水平降低，三酰甘油(triglyceride，TG)沉積增加。然而，缺乏去甲基化活性的FTO突變體不能調節TG的含量，提示FTO通過調節肝細胞內m6A的水平來調節脂肪代謝。前脂肪細胞中FTO的沉默顯著降低了關鍵的細胞周期調節因子[細胞周期素A2 (cyclin-A2，CCNA2)和細胞周期素依賴蛋白激酶 2 (cyclin-dependent protein kinase 2，CDK2)]，導致前脂肪細胞延遲進入G2期;CCNA2和CDK2 mRNA的m6A水平也顯著上調。此外，m6A讀取器YTHDF2可以識別并降解甲基化的CCNA2和CDK2 mRNA，導致蛋白表達下降和細胞周期進程延長，從而抑制脂肪生成，表明FTO通過控制m6A-YTHDF2依賴的方式控制細胞周期進程來調節脂肪生成[23]。

其他蛋白質也在FTO介導的脂質代謝中發揮作用。環磷酸腺苷激活的蛋白激酶正向調節mRNA m6A甲基化水平，通過調節FTO表達和依賴FTO的m6A去甲基化負向調節脂質積累。剪接因子絲氨酸/精氨酸豐富的剪接因子2(serine/arginine-rich splicing factor 2，SRSF2)可以識別外顯子剪接增強子(exonic splicing enhancers，ESEs)，誘導外顯子包涵體。FTO導致m6A近ESEs去甲基化，從而阻止SRSF2的招募，導致前脂肪細胞分化。FTO基因敲除介導的m6A修飾更有可能將SRSF2招募到其靶ESEs中，并促進外顯子6的包涵體，從而抑制前脂肪細胞分化[24]。在脂肪分解和脂肪生成過程中，FTO表達的增加通過減少肉堿棕櫚基轉移酶1 mRNA上m6A修飾和抑制肝脂肪酸氧化，促進了TG在肝臟中的積累。高脂飲食增加小鼠肝臟脂肪生成基因的表達，如乙酰輔酶A羧化酶1和脂肪酸合成酶，并降低肝臟脂解基因的表達，包括激素敏感脂肪酶和三酰甘油脂肪酶，這伴隨著FTO介導的m6A去甲基化活性。在人類肝癌細胞(human hepatoellular carcinomas，HepG2)細胞中，FTO的過表達也會降低了m6A水平，并且導致了包含硬脂酰輔酶A去飽和酶、單酰基甘油O-酰基轉移酶1和脂肪酸合成酶在內的的成脂基因的增強[23]。

綜上所述,FTO對葡萄糖和脂質代謝產生影響有依賴于m6A和不依賴于m6A的兩種機制。然而，有幾個問題仍然存在:FTO是在何處、何時以及如何通過m6A影響葡萄糖和脂質代謝的? 由于m6A修飾的動態性和可逆性，環境刺激或細胞信號可能導致m6A表達模式的顯著變化，這意味著在缺乏相關細胞信號的情況下，這些下游代謝功能可能不會被激活。因此，認為FTO的調控作用在正常生理條件下可能與m6A無關，而在應激或疾病條件下表現出對m6A依賴性通路的偏好。

2.3m6A甲基轉移酶調節脂質代謝 m6A甲基轉移酶(METTL3、METTL14和WTAP)對營養代謝的調控仍不清楚。最近,Yao等[25]報道豬骨髓干細胞中METTL3的缺失可以通過增強YTHDF2依賴性Janus激酶1 mRNA穩定性并激活脂肪細胞信號轉導和轉錄激活因子5來促進脂肪生成。敲除METTL3通過抑制炎癥反應而使豬腸道上皮細胞系J2中長鏈脂肪酸的吸收不良[26]。然而，Zhong等[3]觀察到METTL3或YTHDF2的敲低減少了HepG2細胞中的脂質積累，并推測m6A RNA甲基化介導了生物鐘與脂質代謝之間的串擾。

3 小 結

快速發展的m6A RNA修飾研究將繼續揭示與營養和代謝相關的潛在機制。m6A甲基化的動態性和可逆性在調節基因表達和生理穩態信號通路中起著關鍵作用。另一方面，由于許多營養物質和代謝物在此過程中起底物或輔助因子的作用，營養和代謝可以通過調節m6A甲基化模式來調節基因表達。

然而，要充分理解m6ARNA甲基化與營養和代謝生理學之間的分子串擾，仍然存在許多挑戰。目前尚不清楚m6AmRNA甲基化對宿主生理的精確調控和功能機制。此外，器官和組織之間的模式不同，如大腦、肝臟、脂肪和腸道，了解這種差異編程的起源是必不可少的[27]。許多研究已經揭示了m6A甲基化對葡萄糖和脂質代謝的影響,而影響蛋白質、氨基酸和礦物質代謝在很大程度上仍是未知的。研究m6A甲基化譜作為人類代謝性疾病診斷、預后和治療的組成部分的潛力還有待探索。回答這些問題，理解m6A甲基化在營養和代謝中的重要作用，將為代謝性疾病提供新的治療方法。例如，敲除WTAP雜合基因的小鼠可以避免飲食引起的肥胖，從而提高胰島素敏感性[27]。未來對m6A甲基化相關抑制劑的探索可能為肥胖癥和代謝性疾病的治療提供一種潛在的方法。