核糖體18S rRNA m6A甲基轉(zhuǎn)移酶METTL5的研究進(jìn)展*

嚴(yán)媛麗， 林芷伊， 勾偉穎， 李西海

（福建中醫(yī)藥大學(xué)中西醫(yī)結(jié)合學(xué)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(diào)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(guān)鍵細(xì)胞過程。m6A甲基化修飾是一種動(dòng)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(diǎn)的識(shí)別，分別由m6A甲基轉(zhuǎn)移酶、m6A去甲基化酶和m6A甲基化閱讀蛋白介導(dǎo)［1-3］。近十年的研究已證實(shí)RNA的m6A修飾在基因表達(dá)和疾病進(jìn)展的調(diào)節(jié)中發(fā)揮了重要作用，目前對(duì)于mRNA上的m6A修飾已進(jìn)行了大量研究，并且有許多相關(guān)綜述，但對(duì)于占細(xì)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(jī)制尚有很多待揭示的問題。甲基轉(zhuǎn)移酶樣蛋白5（methyltransferase-like protein 5， METTL5）是近年被檢測(cè)到的特異性介導(dǎo)核糖體18S rRNA m6A修飾的甲基轉(zhuǎn)移酶，現(xiàn)對(duì)其研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 METTL5概述

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

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

1.2 METTL5介導(dǎo)核糖體18S rRNA的m6A修飾METTL5介導(dǎo)的m6A修飾位點(diǎn)位于核糖體18S rRNA的A1832，該位點(diǎn)的m6A修飾于多年就已被檢測(cè)到，但直到2019年才確定METTL5為催化這一反應(yīng)的特異性甲基轉(zhuǎn)移酶［9］。Sepich-Poore等［7］和Tran等［9］研究顯示過表達(dá)METTL5可顯著升高18S rRNA A1832位點(diǎn)的m6A修飾，而沉默或突變METTL5基因后均降低了該位點(diǎn)m6A修飾水平，且A1832相鄰位點(diǎn)的甲基化修飾并不受影響。與其他的m6A甲基轉(zhuǎn)移酶相似，METTL5也是以復(fù)合體形式介導(dǎo)m6A修飾。Tran等研究表明METTL5需與tRNA甲基轉(zhuǎn)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(fù)合體之間形成一個(gè)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(gè)保守的結(jié)合區(qū)，沉默TRMT112導(dǎo)致METTL5蛋白表達(dá)水平顯著降低［9］。不過TRMT112可以對(duì)多種甲基轉(zhuǎn)移酶進(jìn)行變構(gòu)調(diào)節(jié)，不知它所介導(dǎo)的不同甲基化過程是否存在相互作用。

18S rRNA的A1832位點(diǎn)位于核糖體的解碼中心附近，該位點(diǎn)的m6A修飾可能是通過將解碼中心塑造為更容易與mRNA結(jié)合的構(gòu)象，進(jìn)而參與調(diào)節(jié)核糖體的翻譯活動(dòng)。Tran等［9］觀察到A1832位點(diǎn)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(diǎn)周圍的結(jié)構(gòu)，前體亞基顯示出更加松弛的構(gòu)象，這種構(gòu)象使METTL5-TRMT112復(fù)合體能夠甲基化A1832位點(diǎn)；Rong等［4］觀察到甲基化后的A1832位點(diǎn)在h44-h45環(huán)中與另一條附近的rRNA核糖甲基化修飾（Cm1703）進(jìn)行非經(jīng)典堿基配對(duì)，作者提出這一作用可能導(dǎo)致構(gòu)象變化，使解碼中心的rRNA更接近mRNA底物。目前關(guān)于A1832位點(diǎn)的m6A修飾對(duì)翻譯功能的調(diào)節(jié)作用尚有不同看法。Wang等研究顯示沉默METTL5對(duì)細(xì)胞整體mRNA翻譯沒有明顯影響［10］，這一研究結(jié)果與其他的研究并不一致（見下文）?？紤]到METTL5在不同細(xì)胞的定位差異，其對(duì)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(dǎo)致METTL5與底物相互作用過程受到其他因子的調(diào)節(jié)，之后還需要有更多的研究來(lái)闡明其中的分子機(jī)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(dá)上調(diào)且影響預(yù)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(dá)均顯示上調(diào)，這些腫瘤組織中A1832位點(diǎn)的m6A修飾也顯著增高，且腫瘤的分期和分級(jí)越高，METTL5表達(dá)水平也越高，患者預(yù)后越差［11-13］。體內(nèi)外的研究均表明，METTL5促進(jìn)了癌細(xì)胞增殖、遷移、侵襲和腫瘤發(fā)生［14］，而下調(diào)METTL5具有良好的抗腫瘤效果，可抑制癌細(xì)胞增殖和侵襲，誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡，降低多種腫瘤標(biāo)志物的表達(dá)［15］。與前述研究不同的是，Wang等檢測(cè)到胃癌組織的METTL5蛋白表達(dá)低于鄰近正常組織和鄰近腸化生組織，而高表達(dá)METTL5的患者預(yù)后較好［16］。METTL5在不同癌組織、腫瘤的不同分期或分級(jí)中的表達(dá)差異，提示其在組織器官中存在表達(dá)差異性，其作用機(jī)制也不盡相同。METTL5同家族的甲基轉(zhuǎn)移酶METTL14也存在類似的組織表達(dá)差異，例如乳腺癌組織中METTL14表達(dá)增加并促進(jìn)了癌細(xì)胞的遷移和侵襲，而在結(jié)直腸癌中METTL14蛋白顯示下調(diào)并抑制癌細(xì)胞增殖和轉(zhuǎn)移［17］。

2.2 METTL5影響了肝癌細(xì)胞的糖脂代謝 利用異常的代謝信號(hào)通路來(lái)獲得所需能量是癌細(xì)胞能夠快速增殖的一個(gè)重要因素，在肝癌細(xì)胞中METTL5也主要通過調(diào)節(jié)代謝信號(hào)影響癌細(xì)胞活動(dòng)。Peng等［18］的研究顯示，METTL5缺失可使肝細(xì)胞癌（hepatocellular carcinoma， HCC）細(xì)胞80S核糖體組裝受損，導(dǎo)致核糖體翻譯功能改變，核糖體測(cè)序結(jié)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(xì)胞的游離脂肪酸、甘油三酯、膽固醇等脂質(zhì)合成均顯著降低，作者進(jìn)一步檢測(cè)了受METTL5敲除影響的長(zhǎng)鏈脂肪酸的來(lái)源，結(jié)果顯示其主要來(lái)源于葡萄糖的生物合成，且大多數(shù)長(zhǎng)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(lái)，作者提出METTL5可促進(jìn)脂肪酸的過度生成與氧化，使正常細(xì)胞轉(zhuǎn)化為癌細(xì)胞，而METTL5的缺失可能會(huì)損害癌細(xì)胞的β氧化。同年，Sepich-Poore等［7］的研究也顯示敲除人肝癌細(xì)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(zhì)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(zhì)生物合成和儲(chǔ)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(diào)節(jié)脂代謝，METTL5也參與調(diào)節(jié)肝癌細(xì)胞的糖代謝。Xia等［19］的研究顯示，METTL5介導(dǎo)18S rRNA m6A修飾可通過調(diào)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(guān)基因，影響癌細(xì)胞的糖代謝，促進(jìn)肝癌細(xì)胞的增殖和轉(zhuǎn)移，而敲低METTL5可通過抑制Myc通路下調(diào)細(xì)胞程序性死亡-配體1的表達(dá)，抑制肝癌細(xì)胞的惡性行為。事實(shí)上，m6A甲基轉(zhuǎn)移酶METTL3和去甲基化酶FTO已被證實(shí)參與調(diào)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(zhì)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(dòng)物體內(nèi)參與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)未折疊蛋白反應(yīng)（unfolded protein responses，UPR）的mRNA水平顯著增加，而UPR可參與調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)及能量代謝，可見調(diào)控細(xì)胞的糖脂代謝過程是METTL5影響肝癌細(xì)胞活動(dòng)的重要途徑之一。

2.3 METTL5在其他惡性腫瘤的作用機(jī)制 研究表明，由于癌細(xì)胞需要大量的營(yíng)養(yǎng)來(lái)支持其過度生長(zhǎng)，因此蛋白質(zhì)翻譯活性在癌癥中普遍升高［21］，Rong等［4］在乳腺癌中檢測(cè)到，敲低癌細(xì)胞的METTL5，可導(dǎo)致翻譯起始因子與核糖體結(jié)合減弱，且與翻譯起始相關(guān)的p70核糖體蛋白S6激酶磷酸化水平降低，從而引起細(xì)胞整體翻譯水平下降、細(xì)胞生長(zhǎng)受抑制、細(xì)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(shí)m6A修飾在腫瘤免疫調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用，以下幾項(xiàng)研究顯示，METTL5對(duì)癌細(xì)胞的影響可能也涉及到免疫調(diào)節(jié)作用。Zhang等［11］檢測(cè)到腎癌組織中METTL5的共表達(dá)基因主要富集在Th17、Th1和Th2細(xì)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(cè)到METTL5低表達(dá)組患者的基因主要富集在Fcγ受體介導(dǎo)的吞噬、Fcε受體I、趨化因子、T細(xì)胞受體和B細(xì)胞受體信號(hào)通路等免疫通路；Liu等［22］的研究顯示，在子宮內(nèi)膜癌細(xì)胞中METTL5與基因沉默、mRNA結(jié)合、嗅覺受體活性、抗原加工和呈遞、嗅覺轉(zhuǎn)導(dǎo)以及toll樣受體信號(hào)通路呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。不過這幾項(xiàng)研究并未對(duì)測(cè)序結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，后續(xù)的研究還需要進(jìn)一步闡明METTL5在免疫調(diào)節(jié)中的角色。

3 METTL5在大腦發(fā)育異常的作用

越來(lái)越多的證據(jù)顯示，甲基轉(zhuǎn)移酶和其他表觀遺傳調(diào)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(duì)大腦發(fā)育異?；颊撸▉?lái)自巴基斯坦、伊朗和也門）進(jìn)行了基因測(cè)序，檢測(cè)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(yǔ)言障礙或缺失等，他們接著在斑馬魚中敲低METTL5，證實(shí)METTL5的缺失可導(dǎo)致斑馬魚出現(xiàn)小頭畸形。之后Torun等［23］在來(lái)自阿富汗的大腦發(fā)育異?；颊咧幸矙z測(cè)到了METTL5基因變異，不過這些患者的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)功能是正常的，步態(tài)、聽力和視力均無(wú)異常［5，23］。METTL5的缺失對(duì)大腦功能的影響似乎主要體現(xiàn)在學(xué)習(xí)和記憶能力受損，而對(duì)于運(yùn)動(dòng)能力和自主行為并無(wú)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(yàn)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(duì)包括學(xué)習(xí)能力和智力在內(nèi)的各種大腦功能都至關(guān)重要，目前的研究顯示METTL5也是通過調(diào)節(jié)這兩個(gè)過程影響大腦發(fā)育。Wang等［10］在小鼠胚胎干細(xì)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(duì)未誘導(dǎo)分化的胚胎干細(xì)胞的整體mRNA表達(dá)沒有明顯影響，因此他們認(rèn)為mESCs的自我復(fù)制并不受METTL5影響。Wang等［10］接著對(duì)METTL5敲除小鼠的腦組織進(jìn)行RNA測(cè)序，結(jié)果顯示METTL5敲除小鼠的腦組織下調(diào)基因參與了神經(jīng)元的髓鞘形成和神經(jīng)遞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)過程，且腦組織中調(diào)控神經(jīng)發(fā)育和髓鞘形成的基因和蛋白表達(dá)均降低。先前的研究已證實(shí)m6A修飾對(duì)大腦神經(jīng)元和少突膠質(zhì)細(xì)胞的分化發(fā)育、髓鞘形成以及學(xué)習(xí)記憶等神經(jīng)功能起著重要的調(diào)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(gè)作用網(wǎng)絡(luò)，還有待后續(xù)的研究闡明。

4 METTL5在胚胎干細(xì)胞分化異常中的作用

除了Wang等［10］的研究，其他幾項(xiàng)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(huì)導(dǎo)致小鼠mESCs出現(xiàn)顯著的分化缺陷，METTL5介導(dǎo)的18S rRNA m6A修飾促進(jìn)了細(xì)胞分化關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子F-box和WD重復(fù)結(jié)構(gòu)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(dá)水平，導(dǎo)致其底物c-myc的積累，進(jìn)而抑制mESC分化。Ignatova等［26］的研究表明，mESCs中敲除METTL5會(huì)導(dǎo)致mESCs發(fā)生過早分化，細(xì)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(xiàng)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(jìn)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(rèn)識(shí)，METTL5在心臟生理和病理中的功能也開始被關(guān)注到。Han等［27］的研究顯示，METTL5是心肌肥厚中的翻譯調(diào)節(jié)因子，他們檢測(cè)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?cè)谛∈笮呐K局部敲除METTL5，觀察到在心臟壓力過載誘導(dǎo)的情況下，METTL5的缺失可促進(jìn)小鼠心肌細(xì)胞肥大、纖維化增加、不良重構(gòu)和心力衰竭，在離體的小鼠心室肌細(xì)胞中敲除METTL5后，同樣觀察到心肌細(xì)胞呈肥大生長(zhǎng)，進(jìn)一步檢測(cè)顯示，METTL5促進(jìn)了多梳抑制復(fù)合體2的核心成分SUZ12的翻譯，而過表達(dá)METTL5對(duì)離體心肌細(xì)胞肥大標(biāo)志基因的抑制作用可通過敲低SUZ12部分恢復(fù)，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(huì)使心臟出現(xiàn)明顯異常，METTL5的缺失似乎僅僅只促進(jìn)了壓力超負(fù)荷引起的心肌肥厚，這也說(shuō)明了METTL5的作用會(huì)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(dá)METTL5，因此其在延緩心肌肥厚和心力衰竭進(jìn)展中的治療潛力還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。雖然目前尚不清楚METTL5調(diào)控翻譯過程的具體機(jī)制，但它對(duì)翻譯過程存在調(diào)控作用幾乎已成為共識(shí)。不少研究表明翻譯控制是調(diào)節(jié)細(xì)胞病理性肥大的重要因素［28-30］，對(duì)于存在細(xì)胞肥大導(dǎo)致組織病理性重塑的疾病，METTL5的翻譯調(diào)控作用或許是一個(gè)有意義的研究方向。

6 結(jié)語(yǔ)和展望

METTL5作為核糖體18S rRNA A1832位點(diǎn)的特異性甲基轉(zhuǎn)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(xì)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(yīng)用價(jià)值，有望成為相關(guān)疾病的預(yù)測(cè)指標(biāo)和潛在治療靶點(diǎn)。但目前對(duì)于METTL5的認(rèn)識(shí)還處于比較初始的階段，關(guān)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(dá)量和位置尚不完全清楚；METTL5與底物相互作用的亞細(xì)胞位置和機(jī)制也有待探索；既然m6A修飾是一種動(dòng)態(tài)可逆的過程，核糖體18S rRNA A1832位點(diǎn)的m6A去甲基化酶是什么，機(jī)制又是如何；這些問題都有待進(jìn)一步研究闡明。此外，隨著表觀轉(zhuǎn)錄組的發(fā)展，越來(lái)越多的RNA修飾被人們所認(rèn)知，未來(lái)的研究可著眼于探究METTL5介導(dǎo)的m6A修飾與其他的RNA修飾或者其他細(xì)胞調(diào)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(xì)胞的糖脂代謝調(diào)節(jié)癌細(xì)胞的活動(dòng)，因此其在代謝性疾病中的作用亦值得關(guān)注。