RNA甲基化調控細胞衰老機制的研究進展

朱晨雨，程文櫟，張文娟

（暨南大學基礎醫學與公共衛生學院，廣東廣州 510632）

RNA甲基化是在甲基轉移酶催化下，由S-腺苷甲硫氨酸提供甲基供體，在轉錄后階段由甲基取代RNA 分子中氮原子和氧原子的過程［1］。RNA 甲基化動態可逆，影響RNA定位、剪接、翻譯、穩定性、易位和衰變等多種生物學功能［2］，進而參與調控疾病的發生和發展。

外源因素，如電離輻射、缺氧、化療藥物、氧化物和重金屬等，可誘導機體發生氧化應激，進而使RNA 甲基化發生不同程度的改變，導致細胞衰老。細胞衰老可呈現細胞表型變化、代謝重編程、染色質重塑和（或）自噬調節等方面的改變；同時，衰老細胞分泌不同種類的炎癥因子和趨化因子，這些復雜的因子組合稱為衰老相關分泌表型（senescence-associated secretory phenotype，SASP）［3］。RNA 甲基化參與調控細胞衰老的關鍵分子事件，并直接影響細胞衰老進程。因此，本文對RNA甲基化調控細胞衰老的機制進行綜述，以期為衰老的預防和干預提供新的理論依據和方向。

1 細胞衰老相關的RNA甲基化

RNA 甲基化是動態可逆的，受到甲基轉移酶、去甲基化酶和閱讀蛋白的聯合調控，其中與細胞衰老密切相關的RNA甲基化主要有以下幾種類型（圖1）。

圖1 RNA 甲基化修飾的常見類型及其調控機制. TRMT：tRNA 轉移酶；ALKBH：ALKB 同源蛋白；YTHDF：YTH 結構域家族蛋白；NSUN2：NOP2/Sun 結構域家族成員2；ALYREF：Aly/REF 輸出因子；METTL：甲基轉移酶樣蛋白；FTO：脂肪量和肥胖相關蛋白；PCIF1：磷酸化的CTD-相互作用因子1；WRD4：WD重復結構域4.

N1-甲基腺苷（N1-methyladenosine，m1A）修飾是指RNA 分子腺嘌呤第1 位氮原子位置添加甲基基團，可修飾mRNA，tRNA 和rRNA。在mRNA上主要分布于5′非編碼區，并參與調節翻譯起始過程［4］。m1A 甲基化在tRNA 上比mRNA 豐度更大，tRNA 甲基轉移酶6（tRNA methyltransferase 6，TRMT6），TRMT10C，TRMT61A 和TRMT61B 發揮甲基化作用，去甲基化酶AlkB 同源蛋白3（AlkB homologue 3，ALKBH3）發揮去甲基化作用［5］。YTH結構域家族蛋白1（YTH domain family protein 1，YTHDF1）、YTHDF2 和YTHDF3 等，具有m1A 甲基化閱讀蛋白的功能［6］。

5-甲基胞苷（5-methylcytidine，m5C）修飾是指RNA 分子胞嘧啶第5 位氮原子位置添加甲基基團，可修飾mRNA，tRNA 和rRNA。m5C 在應激反應、腫瘤發生和胚胎發育等生理病理反應中起重要作用［7］。甲基轉移酶NOP2/Sun 結構域家族成員2（NOP2/Sun RNA methyltransferase family member 2，NSUN2）、去甲基化酶ALKBH1 和閱讀蛋白Aly/REF輸出因子［8］，可聯合調控m5C 甲基化動態可逆過程。

N6-甲基腺苷（N6-methyladenosine，m6A）修飾是指RNA 分子腺嘌呤第6 位氮原子位置添加甲基基團，可修飾mRNA，snRNA，rRNA 和tRNA。m6A 修飾參與晝夜節律、生長發育和退化等生理病理過程［9］。甲基轉移酶樣蛋白3（methyltransferase like 3，METTL3）和METTL14 是m6A 甲基化的核心甲基轉移酶［10］，而脂肪量和肥胖相關蛋白（fat mass and obesity associated protein，FTO）和ALKBH5 可作為m6A 去甲基化酶［11-12］。閱讀蛋白YTHDF1 能夠結合RNA 特定的m6A 甲基化位點參與調控mRNA 翻譯，YTHDF2 能促進mRNA降解［13］。

N6，2′-O-甲基腺苷（N6，2′-O-methyladenosine，m6Am）發生于轉錄起始位點，與哺乳動物細胞中mRNA 的穩定性密切相關。在N7-甲基鳥苷（N7-methylguanosine，m7G）帽子結構形成后，轉錄起始核苷酸的2′-羥基由帽甲基轉移酶1共轉錄甲基化，第2 個核苷酸的羥基由帽甲基轉移酶2 共轉錄甲基化，當轉錄起始核苷為2′-O-腺嘌呤（2′-O-methyladeonisine，Am）時，在第6 位氮原子位置由磷酸化的CTD-相互作用因子1 作為甲基轉移酶進一步甲基化形成m6Am［14］。FTO 作為去甲基化酶，將m6Am去甲基化為Am［15］。

m7G 即RNA 分子鳥嘌呤第7 位氮原子位置添加甲基基團，發生于mRNA 5′帽子結構，可修飾mRNA，tRNA，rRNA 和pri-miRNA。METTL1 和WD 重復結構域4 復合體介導的m7G tRNA 甲基化增強了mRNA 翻譯，并與多種疾病的調控機制相關［16］。

2 RNA甲基化調控細胞衰老的機制

內外源因素均可誘導體內產生過量活性氧（reactive oxygen species，ROS），觸發氧化應激反應，促進細胞衰老［17］。持續的炎癥反應也可增加體內的氧化應激水平，從而促進衰老進程［18］。細胞自噬可抑制與衰老相關的炎癥反應，自噬增加與延緩衰老密切相關［19］。此外，細胞周期阻滯也是細胞衰老的經典特征［20］。因此，氧化應激、炎癥、自噬和細胞周期阻滯是細胞衰老的關鍵事件，并受到RNA甲基化調控，進而影響細胞衰老進程，RNA甲基化調控細胞衰老的機制和作用如表1所示。

表1 RNA甲基化在細胞衰老中的關鍵分子事件和調控作用

2.1 RNA甲基化調控衰老相關氧化應激

RNA 甲基化通過激活或抑制氧化應激相關信號通路，調控細胞衰老進程［21］。

src 同源性2 含結構域的轉化蛋白C1（66-kilodalton isoform of shc gene products，p66Shc）是調控細胞氧化應激的關鍵蛋白［22］。在高糖環境的氧化應激作用下，上調p66Shc 表達水平會提高NSUN2表達增加m5C甲基化水平，激活p38 MAPK信號通路并增加細胞內ROS水平，使細胞出現早衰現象［23］。

P53 可在不同應激水平下影響線粒體功能，從而調控細胞內ROS 的水平［24］。NSUN2 通過調節miR-125b 水平從而提高P53的表達水平，進而促進氧化應激作用誘導的衰老進程［25］。過表達NSUN2和METTL3/METTL14 增加m5C 和m6A 甲基化水平，協同提高細胞周期蛋白依賴性激酶抑制因子1A（cyclin dependent kinase inhibitor 1A，p21）mRNA的翻譯效率，顯著增加p21 和衰老相關β-半乳糖苷酶的活性，促進氧化應激所致的細胞衰老［26］。

在敲除METTL3 小鼠的海馬體中，氧化應激標志物4-羥基-2 反式壬烯醛顯著增加［27］，FTO 可減少m6A 甲基化修飾水平，并增加其靶基因過氧化物酶體增殖物激活受體γ 輔激活子1α mRNA 翻譯效率，從而誘導氧化應激發生，增加ROS 水平［28］，促進細胞衰老。

敲除PCIF1 引起m6Am 甲基化表達下降，顯著降低超氧化物歧化酶1 mRNA 翻譯效率，誘導人腎細胞對氧化應激敏感［14］，使人腎細胞出現早衰。

2.2 RNA甲基化調節SASP和炎癥

SASP 是細胞衰老微環境的重要組成成分，可增強自分泌細胞的自主功能并介導細胞旁分泌效應［29］。SASP 持續表達可誘發慢性炎癥，導致衰老及相關疾病［30］。慢性炎癥狀態是衰老特征之一，即“炎性衰老”，與多種老年病密切相關。

敲低TRMT6/61A，可引起小鼠T細胞早期活化時，其tRNA 的m1A 甲基化水平下降，并降低MYC表達水平，從而降低細胞周期蛋白依賴性激酶2 和細胞周期蛋白E水平，進而減輕結腸炎癥［31］。

過表達NSUN2 引起m5C 甲基化水平增加，增加靶基因細胞間黏附分子1（intercellular adhesion molecule-1，ICAM-1）mRNA 穩定性和表達水平，并促進血管內皮炎癥進程［32］。高同型半胱氨酸血癥的T 淋巴細胞中，NSUN2 介導m5C甲基化促進白細胞介素17A（interleukin-17A，IL-17A）表達，進而引起多種慢性炎癥性疾病［33］。

SASP 對免疫監視和衰老細胞清除至關重要，而METTL3/METTL14 復合體也以m6A 非依賴性方式正向調節SASP 的表達水平，從而介導衰老細胞清除，延緩衰老進程［34］。脂多糖可上調METTL3，提高人巨噬細胞中m6A甲基化水平，阻止炎癥細胞因子IL-6 和腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）產生，并通過NF-κB 信號通路減輕脂多糖誘導的巨噬細胞炎癥［35］。敲低METTL14 引起m6A甲基化水平下降，降低髓樣分化因子88（myeloid differentiation factor 88，MyD88）和IL-6 表達水平，顯著降低人巨噬細胞炎癥反應［36］。ROS 水平升高負向調節YTHDF2 表達，并增加目標基因絲裂原激活蛋白激酶激酶4 mRNA 穩定性和蛋白表達，激活NF-κB 信號，并促進SASP 相關基因表達和過量分泌［37］。

RNA 甲基化可調節SASP 表達水平和作用特征，調控細胞衰老進程。m1A 與m5C 高甲基化水平和METTL14 高表達可促進炎癥發生，從而導致細胞衰老；而METTL3 介導m6A 甲基化水平與炎癥進程方向相反，其高甲基化水平可抑制炎癥進程，并抑制細胞衰老發生。

2.3 RNA甲基化調控衰老相關自噬

自噬已成為許多物種的一個衰老特征，細胞衰老進程中自噬水平降低，而自噬水平降低亦進一步加速衰老，導致細胞早衰和器官功能障礙，并發展為多種衰老相關疾病［38］。

敲低ALKBH3 引起m1A 甲基化水平增加，降低磷酸化蛋白激酶AKT1 抗體底物1 水平，介導其磷酸化激活的哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復合物1信號傳導而促進自噬［39］，抑制細胞衰老的發生。

過表達METTL3 引起m6A 甲基化水平增加，促進靶基因叉頭框O3 蛋白（forkhead box O3，FOXO3）mRNA 翻譯，進而阻斷自噬相關蛋白基因表達抑制自噬［40］。敲低METTL14 和過表達ALKBH5 使m6A 甲基化水平下降，促進靶基因蛋白磷酸酶1A mRNA 翻譯，降低靶基因鈣/鈣調素依賴的蛋白激酶激酶2 mRNA 穩定性抑制自噬［41］。FTO 表達引起m6A 甲基化水平下降，影響UNC-51樣激酶1（UNC-51-like kinase 1，ULK1）豐度，促進自噬［42］。

敲低METTL1 引起m7G tRNA 甲基化水平下降，降低靶基因mTORC1調節相關蛋白mRNA 翻譯，導致ULK1 異常磷酸化，使得人食管鱗狀細胞癌細胞中自噬增加［43］，從而抑制細胞衰老進程。

2.4 RNA甲基化調控衰老相關細胞周期

細胞周期調控細胞分化與增殖，影響細胞功能，與細胞衰老密切相關［44］。敲低ALKBH3 引起m1A 甲基化水平下降，降低還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶2 介導ROS 生成，使細胞周期在G1期阻滯［45］。

過表達NSUN2引起m5C mRNA甲基化水平增加，抑制CDKN1B 翻譯，提高CDK1翻譯水平，延遲復制性衰老發生［46］。敲低NSUN2使m5C 甲基化水平下降，抑制葡萄膜黑色素瘤細胞增殖，誘導細胞周期在G1期阻滯［47］。

敲低METTL3 引起m6A 甲基化水平下降，導致小鼠原代神經元中CCND1 和CCND2 水平異常升高［27］。敲低FTO 引起m6A 甲基化水平增加，增加CCND1mRNA 降解，誘導細胞周期阻滯于G1期［48］；同時，敲低FTO還可下調CCNA2和CDK2水平，使細胞周期在G1/S期阻滯［49］。

過表達PCIF1引起m6Am甲基化水平增加，并顯著增加CCND1 及CDK4 蛋白水平，誘導細胞周期在G2/M期阻滯［50］。

敲低METTL1 引起m7G tRNA 甲基化水平下降，導致富集在m7G tRNA密碼子的細胞周期mRNA翻譯抑制，使細胞周期在G2/M 期阻滯［16］。因此，RNA 甲基化可參與調控細胞周期進程，從而促進細胞衰老的發生發展。

3 外源因素與細胞衰老

細胞衰老是各種刺激誘發的復雜應激反應，除個人生理特征，如年齡和健康狀況外，環境和遺傳毒性應激，包括化療藥物依托泊苷、紫外線暴露、高糖濃度、外源環境致癌物和金屬及其化合物均可誘導細胞代謝過度活躍，產生豐富的SASP 和炎癥因子改變細胞微環境，加速細胞衰老。

百草枯可誘導小鼠神經母細胞瘤細胞Neuro-2a 產生過量ROS 誘導氧化應激，促進高甲基化和細胞衰老，從而進一步在神經元中誘導神經毒性作用和神經退行性疾病，如帕金森病等［51］。急性暴露于高葡萄糖水平的氧化應激，使得總m5C甲基化水平升高，引發人臍靜脈內皮細胞衰老發生［23］。高亞砷酸鹽暴露（250～1000 μg·L-1）可刺激人體角質形成細胞產生過量ROS 誘導氧化應激，使METTL14 和m6A 表達水平升高［52］，表明在亞砷酸鹽暴露下可能會誘導細胞衰老和毒性。長期慢性暴露于結晶二氧化硅，會增加矽肺小鼠整體m6A水平和炎癥反應，肺泡巨噬細胞吞噬結晶二氧化硅導致細胞衰老和自噬，肺泡巨噬細胞積累會導致慢性炎癥產生［53］。此外，慢性恒定光、氯化鈷和麻醉劑七氟醚等外源因素可通過調控相關酶和氧化應激，使相關mRNA 甲基化水平發生改變和促進細胞衰老，導致神經退行性損害和細胞毒性作用［54］。

4 結語

在外源環境因素影響下，包括化療藥物、缺氧條件、紫外線暴露和金屬及其化合物等，使機體的RNA 甲基化調控發生改變，從而調控細胞衰老的關鍵分子事件，包括氧化應激、SASP 和炎癥因子、自噬和細胞周期事件，導致促進或抑制細胞衰老。細胞衰老是許多年齡相關疾患的病理基礎，當衰老細胞不斷累積，會使器官或組織發生異常變化，最終導致與年齡相關疾病發生，常見的疾病有神經退行性疾病、心腦血管疾病和癌癥等。

目前對RNA 甲基化與細胞衰老的因果關聯研究仍然有限，除m6A 甲基化研究較多外，其他m1A，m5C 和m7G 調控細胞衰老相關機制仍較局限，同時外源因素與RNA 甲基化之間的劑量-反應關系和規律，不同種RNA甲基化類型之間的相互作用等均需要深入探究，這將豐富衰老相關RNA表觀遺傳學理論，并推動細胞衰老與衰老相關疾患的研究新進展。RNA 甲基化調控機制與細胞衰老的關聯，可為細胞衰老及年齡相關疾病的預防和精準干預提供新的線索。