N6-甲基嘌呤介导的RNA甲基化修饰与心血管疾病

2020-03-03汤宇喻溥蛟许嘉鸿

国际心血管病杂志 2020年5期

汤宇喻溥蛟许嘉鸿

在过去几十年间，绝大多数表观遗传学的研究重点都聚焦于DNA修饰以及DNA相关组蛋白的化学标记上，这些可逆的、不同的修饰方法和化学标记影响着基因的表达、决定了个体的表型性状，影响着细胞的分化和发育。近年来，随着基础研究的不断深入，人们发现在mRNA以及其他RNA，包括一些非编码RNA中也存在类似的调控机制。已有100多种RNA转录后修饰方式被鉴定出来[1-2]，其中以N6-甲基嘌呤(m6A)的甲基化修饰最为常见，这种可逆的RNA修饰参与调控了众多的病理生理进程。

1 m6A概述

m6A是最常见的一种RNA转录后修饰，于1974年在哺乳动物细胞的聚腺苷酸RNA中首次被发现[3]。2012年，两支团队各自独立发布了m6A的首个位点图谱，通过RNA甲基化免疫共沉淀高通量测序(MeRIP-Seq)的方法揭示了来自人类和小鼠中约7 000个基因的mRNA上的12 000多个甲基化位点。m6A修饰主要发生在RNA的5′-RRACH-3′序列中(R可以是A或G，H可以是A、C或U)，高通量测序证明了m6A修饰不是随机分布在成熟的转录本中，而是在特定的转录标记处富集，如最后1个转录的外显子，接近5′UTR，终止密码子附近以及临近终止密码子的3′UTR[4-5]。研究显示，m6A修饰广泛存在于不同种属的真核生物中，包括果蝇、酵母、拟南芥等，甚至病毒中也存在m6A修饰。m6A介导了超过80%的RNA碱基甲基化，而这种甲基化不仅会影响RNA的剪切，还会影响翻译RNA的稳定性[6]。

2 m6A酶系统

m6A的功能目前普遍认为由3个部分决定，包括编码器(writer)、消码器(eraser)和读码器(reader)。

编码器是指甲基转移酶，可催化RNA上的碱基发生m6A修饰，已知的酶有甲基转移酶样3(METTL3)、甲基转移酶样14(METTL14)、Wilms肿瘤1相关蛋白(WTAP)等。这些蛋白形成复合物，共同行使催化功能，其中METTL3和METTL14可形成稳定的异二聚体催化m6A修饰。WTAP等则协助METTL3-METTL14异二聚体的核定位，促进m6A沉积。

消码器是指去甲基化酶，已知的复合物有α-酮戊二酸酯依赖性双加氧酶同系物5(ALKBH5)和脂肪量和肥胖相关蛋白(FTO)，它们都属于ALKB家族。

RNA的m6A修饰可视为甲基转移酶和去甲基化酶参与的动态可逆过程，最终只有识别m6A的结合蛋白与修饰后的RNA结合，才能发挥特定的功能，这些蛋白也被称为读码器。

3 m6A在心血管系统中的研究进展

大多数关于m6A的研究集中在肿瘤和代谢性疾病中[7]，RNA的甲基化修饰对于各脏器各类型细胞的生长发育凋亡都有较强的调控作用。m6A甲基化修饰参与调控了心肌细胞的基因表达，参与了心肌细胞的生长[8]，这也说明m6A在心血管系统中的作用非常重要。

3.1 m6A在高血压中的作用

m6A甲基化修饰与高血压发病有密切联系。研究显示，在高尔基体中SNAP受体复合物2基因上的m6A相关单核苷酸多态性(m6A-SNP)突变(Lys67Arg和rs197922)与白种人高血压发病呈正相关[9]。m6A-SNP(rs9847953和rs197922)可以改变血压相关基因的表达，mRNA的稳定性和体内稳态调控，与中国人群高血压也有一定的相关性[10]。此外m6A-SNP(Arg386Gly、rs1801253、Ser49Gly、rs1801253)可以影响编码β1-肾上腺素能受体，而后者正是高血压病理生理机制中重要的组成部分[11-12]。FTO 的一些常见遗传变异与高血压微小RNA患者的血压变化呈正相关[13]。研究显示，m6A可以在缺氧的条件下通过调控环状RNA(circRNA)-微小RNA(miRNA)-mRNA的信号网络介导肺动脉高压的发生，m6A-circXpo6和m6A-circTmtc3可能是其中重要的2个m6A修饰后分子[14]。

3.2 m6A在心脏缺血再灌注损伤中的功能及作用

缺血再灌注损伤的机制包括氧自由基的堆积、心肌细胞的凋亡、钙离子超载、炎性瀑布反应等[15-16]。缺氧状态下一些mRNA的稳定性也与m6A甲基化修饰密切相关[17]。研究显示METTL3介导的miRNA-873-5p的m6A修饰能够通过调节Kelch样ECH相关蛋白1/核因子E2相关因子2信号通路(Keap1/Nrf2)，降低肾脏缺血再灌注损伤中的氧化应激反应[18]，这提示m6A对于心脏的缺血再灌注损伤可能也有同样的调控作用。METTL3参与调控了转录因子EB(TFEB) mRNA的m6A甲基化修饰，最终导致TFEB表达下降，氧化应激损伤后的心肌细胞自噬水平降低，促进心肌细胞凋亡。而去甲基化酶ALKBH5的过表达则可以逆转METTL3的恶化作用[19]。在一项纳入207例动脉粥样硬化患者以及142名健康对照者的研究中发现，动脉粥样硬化患者外周血白细胞的m6A水平显著低于健康对照者[(0.04±0.002)% 对(0.013±0.004)%]，外周血白细胞的m6A水平与血小板大小(r=-0.255，P=0.048)以及易脆性(r=-0.462，P<0.01)呈负相关，敲除ALKBH1能够改善动脉粥样硬化后升高的心肌梗死相关转录本， ALKBH1可能用于动脉粥样硬化的早期诊断[20]。

3.3 m6A在心室重构中的作用

心室重构是慢性心力衰竭的主要病理基础，转录后调控对于心肌肥大至关重要。METTL3介导的m6A甲基化是心肌肥大所必须的调控步骤，单纯增强METTL3促进m6A甲基化可以在没有刺激的条件下产生适应性的心肌细胞肥大[21]。有研究报道小鼠心脏中m6A的水平在心肌梗死后的1周即显著增加，而FTO在心力衰竭的小鼠心脏中表达明显下降， FTO能够介导心肌收缩相关转录物的选择性去甲基化，这些收缩相关转录物的mRNA能够稳定表达是心脏能够保持正常收缩功能的关键因子，人为地上调FTO在小鼠心脏中的表达水平可以显著抑制缺血再灌注损伤后心脏的病理性重构以及心脏纤维化[22]。心脏特异性敲除FTO的小鼠可表现为基础心率和紧张后心率较正常小鼠增加、发生心房颤动和心室颤动的概率增加、诱导后更容易产生心律失常、基础条件下即可发生心肌肥大等特点[23]。进一步研究显示，FTO的作用可能通过影响非受体酪氨酸激酶2/信号转导子和转录激活子3通路(JAK2/STAT3)通路实现，但这种影响是否因FTO改变了m6A的水平还需要进一步验证[24]。