N6-甲基腺苷修飾在呼吸系統(tǒng)疾病中的研究進(jìn)展

韓永康,杜毓鋒,錢 力,李 丹,孫梓越,劉學(xué)軍

(1.山西醫(yī)科大學(xué),山西 太原 030012;2.山西醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院老年病科,山西 太原 030001)

隨著空氣污染、吸煙及老齡化等因素的影響,慢性呼吸系統(tǒng)疾病已成為我國(guó)居民的主要死因,同時(shí)對(duì)家庭、社會(huì)產(chǎn)生沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān),各級(jí)醫(yī)療機(jī)構(gòu)需要對(duì)其重點(diǎn)防治[1]。近年來(lái),越來(lái)越多的證據(jù)表明表觀遺傳因素在呼吸系統(tǒng)疾病發(fā)展中發(fā)揮重要作用,RNA甲基化是重要的表觀遺傳修飾方式之一,其中N6-甲基腺苷(N6-methyladenosine,m6A)修飾在真核生物中廣泛存在。m6A修飾水平失調(diào)可導(dǎo)致多種肺部疾病的發(fā)生,與其調(diào)節(jié)因子(甲基化轉(zhuǎn)移酶、去甲基化酶和甲基化閱讀蛋白)的異常減少或增加密切相關(guān)。m6A 修飾為肺部疾病發(fā)生、發(fā)展提供新的分子機(jī)制,給疾病的治療提供新策略、新方法。

1 m6A修飾

m6A修飾是 RNA腺嘌呤堿基上的第6位氮原子發(fā)生甲基化,在真核生物表觀遺傳修飾中廣泛存在,還可調(diào)控非編碼RNA代謝[2]。m6A 的生物學(xué)過(guò)程主要依靠調(diào)控因子的參與,通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄后表達(dá)水平維持細(xì)胞生物學(xué)功能。m6A修飾數(shù)量和分布特征可通過(guò)抗體免疫共沉淀技術(shù)、高通量測(cè)序及m6A敏感性RNA核糖核酸酶的測(cè)序技術(shù)等獲得[3]。

m6A甲基轉(zhuǎn)移酶常以復(fù)合物形式發(fā)揮生物學(xué)作用,甲基轉(zhuǎn)移酶樣蛋白3(Methyltransferase-like protein,METTL3)通過(guò)與S-腺苷甲硫氨酸結(jié)合獲得甲基轉(zhuǎn)移酶活性,作為甲基轉(zhuǎn)移酶活性的核心成分介導(dǎo)細(xì)胞核中的RNA甲基化。而甲基轉(zhuǎn)移酶樣蛋白14(Methyltransferase-like protein 3,METTL14)間接參與催化甲基轉(zhuǎn)移,可與METTL3以1∶1的比例形成穩(wěn)定的異二聚體,維持復(fù)合物完整性以及與底物RNA結(jié)合,單獨(dú)的METTL3具有較弱的催化活性,只有與METTL14結(jié)合后才會(huì)增強(qiáng)METTL3的催化作用[4]。也有研究發(fā)現(xiàn)METTL3-METTL14復(fù)合物對(duì)體外DNA損傷區(qū)域有一定的修復(fù)作用[5]。Wilms腫瘤抑制1相關(guān)蛋白(Wilms tumor 1-associating protein,WTAP)與METTL3-METTL14復(fù)合物相互作用,促進(jìn)復(fù)合物定位于核散斑,激活甲基轉(zhuǎn)移酶的催化活性以及與靶標(biāo)RNA結(jié)合。同時(shí)還有多種調(diào)控因子與催化復(fù)合物結(jié)合,目前已知的Vir樣m6A相關(guān)甲基轉(zhuǎn)移酶、RNA結(jié)合基序蛋白(RNA binding motif proteinl5 14,RBM15)及其同源蛋白R(shí)BM15B、METTL16、具有CCCH結(jié)構(gòu)鋅指蛋白13等,它們主要負(fù)責(zé)RNA特定位點(diǎn)的甲基化[6]。去甲基化酶可對(duì)已發(fā)生 m6A 修飾的堿基進(jìn)行去甲基化修飾,揭示了m6A修飾是動(dòng)態(tài)可逆的。目前發(fā)現(xiàn)兩種去甲基化酶,肥胖相關(guān)蛋白(Fat mess and obesity us sociated,FTO)和烷基化蛋白 AlkB 同源物5(AlkB homolog 5,ALKBH5),二者均屬于二價(jià)鐵/α-酮戊二酸鹽依賴的AlkB雙加氧酶家族。研究發(fā)現(xiàn)ALKBH5在癌癥中起著致癌或抗癌的雙重作用[7],需要進(jìn)一步深入研究表觀遺傳學(xué)調(diào)控規(guī)律。甲基化閱讀蛋白可識(shí)別發(fā)生 m6A-RNA 甲基化的堿基并激活下游的調(diào)控通路,調(diào)節(jié)甲基化RNA剪接、核輸出、降解、翻譯等過(guò)程[8]。

2 m6A修飾與呼吸系統(tǒng)疾病

近年來(lái)有研究表明,m6A修飾與呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān),如肺纖維化、哮喘、肺癌、慢性阻塞性肺疾病等。RNA m6A 修飾與呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān),可能給呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)生提供新的分子機(jī)制,給疾病的治療提供新策略、新方法[9]。

2.1 m6A修飾與肺纖維化 肺纖維化是一種不可逆轉(zhuǎn)的慢性致命性肺部疾病,表現(xiàn)為炎癥損傷后組織修復(fù)異常,肌成纖維細(xì)胞過(guò)度增殖和活化,可引起肺部結(jié)構(gòu)損傷、功能障礙,最終導(dǎo)致器官衰竭。肺纖維化發(fā)病機(jī)制復(fù)雜,目前藥物治療對(duì)肺纖維化只能起緩解作用,不能從根本上逆轉(zhuǎn)或治愈該疾病,因此,早期診斷和尋找肺纖維化的潛在藥物治療靶點(diǎn)尤為重要[10]。國(guó)外研究表明m6A 甲基化修飾可能為肺纖維化的診斷和治療帶來(lái)新的希望,根據(jù)HUANG等[11]的研究,發(fā)現(xiàn)富含亮氨酸的PPR基序蛋白和FTO可評(píng)估疾病預(yù)后和提供治療靶點(diǎn),m6A調(diào)控因子可預(yù)測(cè)肺纖維化的患病率。成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)換的肌成纖維細(xì)胞 (Fibroblast to myofibroblast transition,FMT)是肺纖維化中主要的膠原蛋白生成細(xì)胞[12],是引起肺纖維化的最重要的病因。因此,避免肌成纖維細(xì)胞的過(guò)度增殖和活化,維持其穩(wěn)態(tài)是防控肺纖維化的重點(diǎn)。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)m6A 修飾可直接參與肺纖維化相關(guān)通路,從而實(shí)現(xiàn)調(diào)控FMT過(guò)程。如ZHANG等[13]發(fā)現(xiàn),在博萊霉素誘導(dǎo)的肺纖維化小鼠模型和肺纖維化患者肺部樣本中,可通過(guò)沉默METTL3來(lái)降低RNA m6A修飾水平,從而抑制FMT增殖和活化。另外,根據(jù)DENG等[14]研究成果表明,在博萊霉素誘導(dǎo)小鼠肺纖維化模型和人肺纖維化樣本中METTL3存在異常表達(dá),METTL3可被視為診斷肺纖維化發(fā)生的重要生物標(biāo)志物以及藥物治療的靶標(biāo)?？傊甿6A 修飾與肺纖維化的形成密切相關(guān),針對(duì)m6A調(diào)控因子藥物的研發(fā)可能為肺纖維化的治療提供新的策略。

另外,隨著空氣污染及吸煙等因素的影響,肺纖維化的發(fā)生率逐年升高,急性粉塵顆?？蓪?dǎo)致體細(xì)胞基因組RNA甲基化改變[15]。有研究表明長(zhǎng)期吸入各種含量過(guò)高的游離粉塵顆粒(炭黑、PM2.5或二氧化硅)沉積于肺組織可影響m6A 修飾水平,導(dǎo)致肺部出現(xiàn)不可逆性纖維化,其中以成纖維細(xì)胞過(guò)度增殖和細(xì)胞外基質(zhì)在肺組織內(nèi)沉積過(guò)多為特征[16],致肺功能出現(xiàn)不可逆性的下降,最終使患者的呼吸功能喪失。如經(jīng)碳黑處理后的大鼠肺組織中Pri-miRNA-126的m6A修飾水平下調(diào),引起下游靶向調(diào)控基因PI3K介導(dǎo)的PI3K/AKT/mTOR通路激活,導(dǎo)致肺組織發(fā)生纖維化[17]。PM2.5暴露通過(guò)降低ALKBH5水平,使靶向Yes相關(guān)蛋白1(Yes-associated Protein 1,YAP1)-mRNA 的 miRNAs水平下降,激活調(diào)節(jié)肺部炎癥的YAP1信號(hào)通路,促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)沉積最終導(dǎo)致肺纖維化[18]。

二氧化硅誘導(dǎo)的肺纖維化同樣受m6A修飾的影響,如WANG等[19]研究說(shuō)明,METTL3可促進(jìn)肺成纖維細(xì)胞的活化、遷移,并通過(guò)circRNA m6A修飾參與二氧化硅誘導(dǎo)的肺纖維化。ZHANG等[20]發(fā)現(xiàn),ALKBH5、FTO表達(dá)水平下調(diào)而METTL3表達(dá)上調(diào),在二氧化硅誘導(dǎo)肺纖維化形成中發(fā)揮了重要作用。然而,根據(jù)SUN等[21]研究,在二氧化硅誘導(dǎo)的肺纖維化小鼠組織中ALKBH5表達(dá)增加,其對(duì)轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子TGF-β1刺激成纖維細(xì)胞活化過(guò)程中起促進(jìn)作用,抑制ALKBH5表達(dá)可在體外發(fā)揮抗纖維化作用,其機(jī)制是ALKBH5通過(guò)miR-320a-3P/FOXM1軸或直接靶向調(diào)控FOXM1促進(jìn)二氧化硅誘導(dǎo)的肺纖維化。ALKBH5低表達(dá)抗纖維化或致纖維化的矛盾結(jié)果,一方面表明表觀遺傳學(xué)在肺纖維化中的重要作用,另一方面也顯示了轉(zhuǎn)錄后基因表達(dá)調(diào)控的復(fù)雜性?？紤]其矛盾結(jié)果與RNA m6A修飾檢測(cè)尚無(wú)公認(rèn)的參考方法,樣本數(shù)量較少、評(píng)價(jià)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不一,不同實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果缺乏可比性等因素相關(guān),此后還需要開展大規(guī)模的隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn),找到其關(guān)鍵的調(diào)控分子及其作用靶點(diǎn)。

2.2 m6A修飾與慢性阻塞性肺疾病 慢性阻塞性肺疾病(Chronic obstructive pulmonary disease,COPD)是一種常見的以持續(xù)存在的呼吸系統(tǒng)癥狀和氣流受限為特征的肺部疾病,病程較長(zhǎng)且起病緩慢,主要癥狀為咳嗽、咳痰、活動(dòng)后氣短,嚴(yán)重影響患者生活質(zhì)量。我國(guó)COPD患者數(shù)量龐大,吸煙是COPD發(fā)生的重要因素[22]。有研究發(fā)現(xiàn)香煙煙霧可誘導(dǎo) METTL3 過(guò)表達(dá),并在支氣管上皮細(xì)胞中產(chǎn)生大量成熟的 microRNA-93(miR-93),miR-93激活氨基末端激酶(JNK)通路,上調(diào)誘導(dǎo)彈性蛋白降解的基質(zhì)金屬蛋白酶9和基質(zhì)金屬蛋白酶12的水平,從而導(dǎo)致肺氣腫[23]。相關(guān)調(diào)節(jié)蛋白異常表達(dá),與肺部血管損傷和肺功能下降密切相關(guān),可誘發(fā)COPD急性加重[24]。細(xì)顆粒物(PM2.5)暴露也是COPD發(fā)生發(fā)展的重要原因,PM2.5使m6A調(diào)節(jié)因子METTL16表達(dá)上調(diào),調(diào)節(jié)硫酸酯酶2的表達(dá),誘導(dǎo)血管內(nèi)皮細(xì)胞凋亡、增加血管通透性、減少血管生成,導(dǎo)致肺微血管損傷,從而促進(jìn)COPD的發(fā)生發(fā)展,同時(shí)也為COPD的治療提供了新的靶點(diǎn)[25]。肺泡巨噬細(xì)胞極化在COPD發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮重要作用[26],有研究報(bào)道,COPD患者體內(nèi)FTO表達(dá)較低,而過(guò)表達(dá)FTO可調(diào)節(jié) PM2.5刺激后肺泡巨噬細(xì)胞的極化和相關(guān)信號(hào)通路活性,因此FTO可能在COPD發(fā)展中發(fā)揮重要作用[27]。HUANG等[28]研究發(fā)現(xiàn),m6A修飾與COPD的發(fā)生高度相關(guān),其調(diào)控因子METTL3、FTO等可協(xié)同發(fā)揮作用,影響COPD進(jìn)展關(guān)鍵基因的表達(dá)而促進(jìn)COPD的進(jìn)展,但具體的作用機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。綜上所述,m6A調(diào)控因子與COPD發(fā)生發(fā)展密切相關(guān),該因子為COPD的治療提供了新的靶點(diǎn),應(yīng)對(duì)其機(jī)制進(jìn)行深入研究,以期實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)研究與臨床之間的轉(zhuǎn)化。

2.3 m6A修飾與哮喘 哮喘是嚴(yán)重危害人類健康的慢性呼吸道疾病。因其反復(fù)發(fā)作,嚴(yán)重影響患者生活質(zhì)量。目前有研究表明RNA甲基化修飾與哮喘發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)[29]。DAI等[30]研究成果表明,m6A調(diào)節(jié)因子在兒童哮喘的發(fā)生中起著不可忽視的作用,利用m6A調(diào)節(jié)因子可預(yù)測(cè)兒童哮喘發(fā)作的風(fēng)險(xiǎn),針對(duì)m6A修飾的研究可能為兒童哮喘的治療提供有效的策略。FAN等[31]研究發(fā)現(xiàn),哮喘患者外周血CD3 T細(xì)胞中有較高的METTL4表達(dá),提高了m6A修飾水平。有研究發(fā)現(xiàn)[32],人氣道上皮中FTO缺失可導(dǎo)致FOXJ1 mRNA不穩(wěn)定,使纖毛細(xì)胞數(shù)量明顯減少,敲除FTO的小鼠在過(guò)敏原刺激時(shí)可有強(qiáng)烈的哮喘樣表型。在嚴(yán)重哮喘中m6A調(diào)控因子同樣發(fā)揮關(guān)鍵作用,對(duì)重度哮喘有重要意義的嗜酸性粒細(xì)胞受到m6A調(diào)節(jié)因子的影響,該機(jī)制可能為未來(lái)的哮喘治療提供新見解[33]。哮喘是一種慢性炎癥性疾病,涉及復(fù)雜的基因作用。SUN等[34]研究,驗(yàn)證了哮喘患者中三個(gè)m6A修飾的關(guān)鍵基因(BCL11A,MATK和CD300A),發(fā)現(xiàn)它們主要分布在外顯子中,富集在3’ UTR中,對(duì)m6A修飾的基因進(jìn)行干預(yù)可能為哮喘的治療提供新思路。LIN等[35]發(fā)現(xiàn),m6A、m1A、APA和A-to-I修飾是最有效的RNA修飾,在嚴(yán)重哮喘的發(fā)生中起重要作用。另外MO等[36]。發(fā)現(xiàn)DNA甲基化和m6A修飾之間同樣存在相互作用,并且發(fā)現(xiàn)白藜蘆醇可能靶向調(diào)控失調(diào)的m6A基因,可以作為哮喘的潛在治療劑?？傊?m6A 修飾在哮喘發(fā)生發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮了重要作用,不同修飾方式之間的相互作用也有重要的研究意義,為哮喘患者治療帶來(lái)新策略、新方法。

2.4 m6A修飾與肺癌 全球肺癌新發(fā)病例達(dá)到210萬(wàn),死亡病例達(dá)到180萬(wàn),肺癌的發(fā)病率、病死率在所有腫瘤中排在首位,提高肺癌的診療水平顯得尤為重要[37]。在肺癌發(fā)生發(fā)展過(guò)程中,上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(Epithelial-mesenchymal transition,EMT)是癌細(xì)胞獲得侵襲力的關(guān)鍵。SUPHAKHONG等[38]研究表明,METTL3高表達(dá)可調(diào)控EMT進(jìn)程,從而促進(jìn)肺癌的發(fā)生和轉(zhuǎn)移。也有研究發(fā)現(xiàn)ALKBH5表達(dá)下調(diào)、METTL3表達(dá)上調(diào)可促進(jìn)肺癌發(fā)生發(fā)展,通過(guò)提升ALKBH5和敲除METTL3表達(dá)來(lái)降低m6A水平,從而抑制癌細(xì)胞中3D球體的生成和小鼠肺內(nèi)腫瘤的形成[39]。然而,另有研究報(bào)道ALKBH5高表達(dá)可促進(jìn)非小細(xì)胞肺癌進(jìn)展,敲低其表達(dá)可抑制體內(nèi)腫瘤生長(zhǎng),ALKBH5可降低TIMP3 mRNA的穩(wěn)定性從而抑制其表達(dá),ALKBH5/TIMP3通路可促進(jìn)肺癌細(xì)胞增殖同時(shí)抑制其凋亡[40]。探索過(guò)程中有些研究結(jié)論相互沖突,ALKBH5高表達(dá)可抗癌或致癌及抗纖維化或致纖維化的不同結(jié)論,矛盾的結(jié)果說(shuō)明表觀遺傳學(xué)在肺癌及肺纖維化過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。肺纖維化患者患肺癌的風(fēng)險(xiǎn)很高,抗纖維化治療可減緩疾病進(jìn)展,并可能延長(zhǎng)生存期,但RNA m6A 修飾具體的調(diào)控機(jī)制需要進(jìn)一步研究[41]。

目前判斷肺癌預(yù)后多集中于臨床特征,如腫瘤的TNM分期、分化程度以及胸膜是否受累等。由于大部分肺癌患者就診時(shí)已處于晚期,所以尋求早期診斷肺癌的生物學(xué)標(biāo)志物、盡早進(jìn)行治療顯得尤為重要。m6A修飾為開發(fā)高精度、低成本、侵入性小的新型生物標(biāo)志物及大規(guī)模癌癥篩查提供了新的方向和策略。ZHANG等[42]通過(guò)研究血清樣本發(fā)現(xiàn),m6A-miRNAs標(biāo)記在包括肺癌的多種癌癥類型中表現(xiàn)出優(yōu)異的靈敏度,且其診斷性能不受性別、年齡等因素的干擾。近年來(lái),相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)m6A調(diào)節(jié)因子與肺癌患者預(yù)后顯著相關(guān)。LIU等[41]研究發(fā)現(xiàn),METTL3與非小細(xì)胞肺癌患者預(yù)后顯著相關(guān),可作為患者的預(yù)后指標(biāo)。綜上所述,以m6A甲基化為代表的表觀遺傳學(xué)修飾,在肺癌的發(fā)生發(fā)展、診斷、治療及預(yù)后中發(fā)揮著重要作用。

3 總結(jié)與展望

慢性呼吸系統(tǒng)疾病(纖維化、COPD、哮喘、肺癌等),給我國(guó)帶來(lái)了沉重的醫(yī)療負(fù)擔(dān)。針對(duì)m6A 修飾在慢性呼吸系統(tǒng)疾病的深入研究,加深了對(duì)表觀遺傳學(xué)調(diào)控規(guī)律的認(rèn)識(shí),同時(shí)對(duì)疾病發(fā)病機(jī)制、診斷、新藥作用靶點(diǎn)及判斷預(yù)后提供了重要的理論依據(jù)。盡管肺部疾病相關(guān)研究已有進(jìn)展,但關(guān)于m6A修飾還有許多關(guān)鍵問(wèn)題需要解決。一方面,m6A修飾檢測(cè)尚無(wú)公認(rèn)的參考方法,其調(diào)控因子并未被完全鑒定出來(lái),并且目前研究結(jié)果仍存在爭(zhēng)議,具體功能和調(diào)控機(jī)制仍需要繼續(xù)深入探索,以期增強(qiáng)表觀遺傳學(xué)調(diào)控規(guī)律的理解。m6A修飾在肺部疾病的病理過(guò)程中機(jī)制復(fù)雜,找到其關(guān)鍵的調(diào)控分子及其調(diào)控靶點(diǎn)是重點(diǎn)也是難點(diǎn)。另外,調(diào)節(jié)因子及基因?yàn)榘悬c(diǎn)的藥物研發(fā)成果相對(duì)缺乏,此后還需要開展大規(guī)模、高質(zhì)量的基礎(chǔ)和臨床研究,制定出合理且科學(xué)的評(píng)價(jià)體系,實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)研究到臨床應(yīng)用之間的轉(zhuǎn)化,為患者的診治帶來(lái)新策略、新方法。