甲基轉移酶樣蛋白3與腫瘤關系的研究進展

熊磊，李顯永，張楠，李同海，朗磊

1昆明市中醫醫院,昆明 650000；2自貢市第四人民醫院

表觀遺傳學是遺傳學的一個分支，指在DNA序列不發生變化的情況下，基因功能出現穩定可遺傳的變異，如：DNA甲基化、RNA修飾、組蛋白修飾、染色質重塑、基因沉默等[1]。截至目前，已經證實存在著上百種轉錄后RNA的修飾方式[2]。m6A是一種出現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)、長鏈非編碼RNA(lncRNA)、核糖體RNA(rRNA)、轉運RNA(tRNA)和小核RNA(snRNA)[3～6]，為最常見的一種RNA修飾方式，約占RNA甲基化修飾的80%[7]。研究表明，哺乳動物中平均每條RNA存在3～5個m6A的修飾位點[8]。早在1970年，m6A修飾就在哺乳動物細胞的RNA中被發現，隨后其第一個催化該修飾形成的甲基轉移酶樣蛋白3(METTL3)也被識別，但出于技術原因其功能一直未有詳細的報道。直至2011年，去甲基轉移酶FTO的發現革命性地揭示了m6A是一種動態可逆的RNA修飾方式[9]。現有研究表明，m6A受甲基轉移酶復合體(METTL3、METTL14、WTAP)、去甲基轉移酶(FTO、ALKBH5)、結合蛋白(YTHDF1、YTHDF2、YTHDF3、YTHDC1、 YTHDC2)等協同調控[10]。METTL3作為經典的甲基轉移酶復合體成員之一，不僅可以催化RNA的m6A修飾形成,發揮其生理作用，最新研究表明，它還具有獨立增強RNA翻譯的能力，從而影響多種疾病的發生、發展[11]。目前已有證據表明METTL3與急性白血病[12]、肺癌[11]、肝癌[13]等惡性腫瘤相關。現就METTL3在常見惡性腫瘤中的研究進展進行綜述。

1 METTL3分子生物學特性

METTL3最初是從人宮頸癌細胞(Hela細胞)中解析出的一個70 kD的蛋白。研究發現METTL3蛋白分子包含對甲基轉移酶活性非常重要的兩個結構域，分別為CMI-SAM(S-腺苷甲硫氨酸)結合結構域，以及甲基轉移酶活性結構域CMII[14]。近期研究[15]表明，METTL14并不發揮實際的催化活性，但可以與METTL3以1∶1結合形成穩定的異質二聚體，參與METTL3活性位點的變構，并且發揮識別RNA底物的作用，兩蛋白共同定位于細胞核的核斑區催化m6A形成。盡管METTL3具有獨立的甲基化活性，但二者結合后能夠顯著地提升甲基化的催化效率。WTAP同樣不具備獨立催化m6A形修飾成的活性，但它可以發揮調節亞基的作用，協調METTL3/METTL14復合物的穩定性并募集甲基轉移酶復合體(METTL3/METTL14/WTAP，MMW)在RNA上定位，促進m6A修飾形成[16]。研究[17]發現，敲低Hela細胞中METTL3表達后可導致細胞總m6A的水平下降約30%。由此可見，METTL3是影響細胞m6A水平非常重要的酶。在后來的研究中仍有新的甲基轉移酶陸續被發現，例如VIRMA、HAKAI、ZC3H13、KIAA1429、WBM15等。

2 METTL3催化m6A修飾形成的生理作用

細胞RNA的m6A修飾形成發生在細胞核中，由甲基轉移酶復合體METTL3/METTL14/WTAP以SAM為甲基供體，將甲基轉移至腺嘌呤上；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；閱讀蛋白再通過識別、結合m6A修飾發揮相應的生理作用。因此，細胞中RNA的m6A修飾過程是動態可逆的，也就是說m6A修飾對基因表達的調控是動態可逆的。

m6A的研究是表觀遺傳學中一個新的領域，存在著大量的未知，目前越來越多的證據表明其發揮著眾多的生理功能，與多種疾病相關。精原干/祖細胞的增殖、分化相關調控因子Plzf、Id4、Dnmt3b和Sohlh2 mRNA上分布著大量的m6A修飾，m6A缺失將導致精原干細胞的減少，m6A依賴性的RNA翻譯影響著某些蛋白的合成調控精子形成的后期階段[18]。m6A與閱讀蛋白YT521-B結合調節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修飾還與胚胎干細胞分化、體細胞重編程、DNA損傷修復、腫瘤的發生及進展密切相關[20,21]。

3 METTL3在腫瘤進展中的作用

3.1 METTL3促進腫瘤的進展 近年的研究表明，METTL3的表達異常與多種腫瘤相關(表1)。通過對癌癥基因組圖譜(TCGA)資料分析發現，常見腫瘤中METTL3表達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。因而推測高表達的METTL3可能與某些腫瘤的發生、進展相關聯。后續的研究已經證實METTL3通過sp1/c-MYC通路來維持白血病細胞生長，METTL3的消耗將導致白血病細胞細胞周期停滯和細胞分化[12]。因此，METTL3在腫瘤研究中的意義重大。

表1 N6-甲基腺苷甲基轉移酶METTL3與腫瘤的關系

m6A對基因表達的影響主要發生在轉錄后的調控，例如對RNA的剪切、翻譯、成熟、出核、降解的調控[10]。一般認為蛋白質的合成都是在mRNA 的5′端由起始因子eIF4F與7-甲基鳥嘌呤(m7G)結合從而促使翻譯啟動，然而Coots等[22]研究表明m6A修飾可以不獨立于eIF4F的活性而促進mRNA的翻譯，當消耗METTL3后，將會使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]則發現METTL3可以選擇性促進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，通過這一途徑增加癌細胞的增殖、侵襲能力。該研究還發現METTL3可以募集起始因子eIF3與翻譯起始復合物結合從而增強翻譯效率，同時還發現細胞質中的METTL3蛋白可以不依賴自身及其他甲基轉移酶的活性，其蛋白的N-端具有直接促進目的基因翻譯的能力。下調METTL3表達，將明顯抑制肺癌細胞增殖、侵襲力，并增加細胞的凋亡。另一項肺癌的研究還發現，miR-33a可以直接靶向METTL3 mRNA的3′UTR區域對其表達發揮抑制作用，使METTL3下游的腫瘤基因EGFR、TAZ、MAPKAPK2和DNMT3A的蛋白表達也相應地下調[23]。白血病的研究[24]也發現，m6A促進了白血病細胞中癌基因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，誘導白血病細胞的分化和細胞凋亡，從而延緩白血病進展。肝癌中研究[13]表明，METTL3催化靶基因細胞因子信號轉導抑制因子2(SOCS2)的m6A修飾，并通過m6A-YTHDF2途徑促使其mRNA降解，抑制該基因的表達，進而促進腫瘤的生長。長期的隨訪也發現高表達METTL3預示著不良的預后。Cai等[25]發現乳腺癌中存在著HBXIP/let-7g/METTL3/HBXIP正反饋回路，這一機制促進了腫瘤細胞的增殖能力。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，導致腫瘤蛋白表達和腫瘤細胞生物學行為的改變，從而加速腫瘤的進展。

3.2 METTL3抑制腫瘤的進展 新的證據表明，METTL3并不是在所有腫瘤中都呈高表達，在某些腫瘤中亦呈低表達，其表達的上調能有效抑制腫瘤的進展。m6A和m5c是RNA甲基化的兩種主要修飾方式。Li等[26]研究發現，NSUN2催化的m5c與METTL3/METTL14催化的m6A可以協同促進由氧化應激誘導的衰老細胞中p21基因翻譯。p21作為細胞周期負調節因子，抑制細胞增殖，進而發揮抑癌基因的作用，也就是說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]發現，腎癌組織中METTL3呈低表達，通過PI3K/Akt/mTOR途徑促進腎癌細胞的增殖、生長、克隆形成，并激活上皮間充質轉化(EMT)增加腎癌細胞的遷移和侵襲能力；上調METTL3表達，將明顯抑制實體瘤的生長。同時對預后的隨訪發現，METTL3高表達的病例擁有更長的生存期。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，并且m6A表達與腫瘤的大小、分期、分化、轉移及復發呈負相關關系，認為是預測無病生存期和總生存期的一個獨立指標。體外實驗也發現，敲低METTL3/METTL14后腫瘤細胞的增殖能力明顯增加。

然而METTL3在膠質瘤中扮演的角色則存在一定的爭議。Cui等[29]發現METTL3與腦膠質瘤細胞的生長，自我更新以及腫瘤的發生關系密切，敲低METTL3后多達2 600個轉錄本發生了改變，其中包括腫瘤基因ADAM19、EPHA3、KLF4表達的上調，抑癌基因CDKN2A、BRCA2、TP53I11表達的下調，METTL3表現出抑癌基因的作用。然而另一項研究則得出相反的結論，METTL3在腦膠質瘤中呈高表達，通過METTL3促進轉錄因子SOX2 mRNA 3′UTR區域的m6A修飾，并與RNA結合蛋白HuR結合增加SOX2 mRNA的穩定性，發揮促癌基因作用[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現，高表達的METTL3具有與PSA聯合作為診斷前列腺癌診斷標記物的價值[30]。相關研究還發現，下調METTL3后細胞株的m6A水平下降，相應前列腺癌的生物學行為以及體內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揮重要作用。

Gu等[32]研究表明，m6A修飾顯著促進了亞砷酸鹽引起的支氣管上皮細胞向惡性轉化，下調METTL3可以有效逆轉細胞惡性表型，抑制細胞克隆形成，并促使細胞凋亡增加。由此說明METTL3有可能參與了亞砷酸鹽誘導的腫瘤發生，下調METTL3表達可有效逆轉細胞惡性表型，這也表明METTL3有可能是腫瘤治療的一個潛在靶點。有研究[21]發現，m6A修飾介導了膠質母細胞瘤的DNA損傷修復，敲低METTL3后腫瘤細胞對放療的敏感性增加。另有研究也發現,下調METTL3基因后，胰腺癌細胞對吉西他濱、5-氟尿嘧啶、順鉑等化療藥物和放療具有更高的敏感性[33]。在腫瘤的發生發展中，機體的免疫系統通過多途徑消除或抑制其生長。近年腫瘤的免疫治療也是腫瘤治療的一個重要方向。在T細胞的研究中還發現，細胞因子信號轉導抑制因子mRNA的m6A修飾水平下調，可以延緩mRNA降解并促進其蛋白的表達，抑制下游的IL-7/信號轉導及轉錄激活轉錄因子(IL-7/Stat5)信號通路，抑制幼稚T細胞的增殖和分化，維持T細胞的體內平衡，證實MEETL3所參與催化的m6A修飾與免疫細胞密切相關[34]。

總之，METTL3的異常水平與人類的多種疾病密切相關。目前發現，在不同腫瘤疾病中METTL3靶標不同的基因，促進其mRNA的m6A修飾形成或在細胞質中獨立促進某些基因的翻譯效率，調控腫瘤相關基因表達，發揮促癌或抑制基因的作用，從而影響腫瘤的發生和進展。同時METTL3在腫瘤的治療效果中也表現出重要的作用。因此，METTL3為腫瘤的診斷及治療提供了一個新的方向。當然，關于METTL3在腫瘤中發揮的具體機制以及與其他已知和尚未被鑒別的m6A相關酶的關系仍需進一步探索。