甲基转移酶样蛋白3与肿瘤关系的研究进展

熊磊，李显永，张楠，李同海，朗磊

1昆明市中医医院,昆明 650000；2自贡市第四人民医院

表观遗传学是遗传学的一个分支，指在DNA序列不发生变化的情况下，基因功能出现稳定可遗传的变异，如：DNA甲基化、RNA修饰、组蛋白修饰、染色质重塑、基因沉默等[1]。截至目前，已经证实存在着上百种转录后RNA的修饰方式[2]。m6A是一种出现在腺嘌呤第六位氮原子上的甲基化修饰方式，广泛存在于信使RNA(mRNA)、长链非编码RNA(lncRNA)、核糖体RNA(rRNA)、转运RNA(tRNA)和小核RNA(snRNA)[3～6]，为最常见的一种RNA修饰方式，约占RNA甲基化修饰的80%[7]。研究表明，哺乳动物中平均每条RNA存在3～5个m6A的修饰位点[8]。早在1970年，m6A修饰就在哺乳动物细胞的RNA中被发现，随后其第一个催化该修饰形成的甲基转移酶样蛋白3(METTL3)也被识别，但出于技术原因其功能一直未有详细的报道。直至2011年，去甲基转移酶FTO的发现革命性地揭示了m6A是一种动态可逆的RNA修饰方式[9]。现有研究表明，m6A受甲基转移酶复合体(METTL3、METTL14、WTAP)、去甲基转移酶(FTO、ALKBH5)、结合蛋白(YTHDF1、YTHDF2、YTHDF3、YTHDC1、 YTHDC2)等协同调控[10]。METTL3作为经典的甲基转移酶复合体成员之一，不仅可以催化RNA的m6A修饰形成,发挥其生理作用，最新研究表明，它还具有独立增强RNA翻译的能力，从而影响多种疾病的发生、发展[11]。目前已有证据表明METTL3与急性白血病[12]、肺癌[11]、肝癌[13]等恶性肿瘤相关。现就METTL3在常见恶性肿瘤中的研究进展进行综述。

1 METTL3分子生物学特性

METTL3最初是从人宫颈癌细胞(Hela细胞)中解析出的一个70 kD的蛋白。研究发现METTL3蛋白分子包含对甲基转移酶活性非常重要的两个结构域，分别为CMI-SAM(S-腺苷甲硫氨酸)结合结构域，以及甲基转移酶活性结构域CMII[14]。近期研究[15]表明，METTL14并不发挥实际的催化活性，但可以与METTL3以1∶1结合形成稳定的异质二聚体，参与METTL3活性位点的变构，并且发挥识别RNA底物的作用，两蛋白共同定位于细胞核的核斑区催化m6A形成。尽管METTL3具有独立的甲基化活性，但二者结合后能够显著地提升甲基化的催化效率。WTAP同样不具备独立催化m6A形修饰成的活性，但它可以发挥调节亚基的作用，协调METTL3/METTL14复合物的稳定性并募集甲基转移酶复合体(METTL3/METTL14/WTAP，MMW)在RNA上定位，促进m6A修饰形成[16]。研究[17]发现，敲低Hela细胞中METTL3表达后可导致细胞总m6A的水平下降约30%。由此可见，METTL3是影响细胞m6A水平非常重要的酶。在后来的研究中仍有新的甲基转移酶陆续被发现，例如VIRMA、HAKAI、ZC3H13、KIAA1429、WBM15等。

2 METTL3催化m6A修饰形成的生理作用

细胞RNA的m6A修饰形成发生在细胞核中，由甲基转移酶复合体METTL3/METTL14/WTAP以SAM为甲基供体，将甲基转移至腺嘌呤上；由于去甲基酶FTO、ALKBH5的存在，其在一定条件下又可去除RNA上的甲基化修饰；阅读蛋白再通过识别、结合m6A修饰发挥相应的生理作用。因此，细胞中RNA的m6A修饰过程是动态可逆的，也就是说m6A修饰对基因表达的调控是动态可逆的。

m6A的研究是表观遗传学中一个新的领域，存在着大量的未知，目前越来越多的证据表明其发挥着众多的生理功能，与多种疾病相关。精原干/祖细胞的增殖、分化相关调控因子Plzf、Id4、Dnmt3b和Sohlh2 mRNA上分布着大量的m6A修饰，m6A缺失将导致精原干细胞的减少，m6A依赖性的RNA翻译影响着某些蛋白的合成调控精子形成的后期阶段[18]。m6A与阅读蛋白YT521-B结合调节sxl基因的剪接，从而影响果蝇的性别[19]。此外，其他研究表明m6A修饰还与胚胎干细胞分化、体细胞重编程、DNA损伤修复、肿瘤的发生及进展密切相关[20,21]。

3 METTL3在肿瘤进展中的作用

3.1 METTL3促进肿瘤的进展 近年的研究表明，METTL3的表达异常与多种肿瘤相关(表1)。通过对癌症基因组图谱(TCGA)资料分析发现，常见肿瘤中METTL3表达丰度前三位依次为急性髓性白血病、弥漫性大B淋巴瘤、前列腺癌。因而推测高表达的METTL3可能与某些肿瘤的发生、进展相关联。后续的研究已经证实METTL3通过sp1/c-MYC通路来维持白血病细胞生长，METTL3的消耗将导致白血病细胞细胞周期停滞和细胞分化[12]。因此，METTL3在肿瘤研究中的意义重大。

表1 N6-甲基腺苷甲基转移酶METTL3与肿瘤的关系

m6A对基因表达的影响主要发生在转录后的调控，例如对RNA的剪切、翻译、成熟、出核、降解的调控[10]。一般认为蛋白质的合成都是在mRNA 的5′端由起始因子eIF4F与7-甲基鸟嘌呤(m7G)结合从而促使翻译启动，然而Coots等[22]研究表明m6A修饰可以不独立于eIF4F的活性而促进mRNA的翻译，当消耗METTL3后，将会使5′UTR端存在m6A修饰的mRNA翻译效率显著下降。肺癌中的研究[11]则发现METTL3可以选择性促进终止密码子附近存在m6A峰的mRNA的翻译，例如肿瘤基因EGFR、TAZ、MAPKAPK2(MK2)和DNMT3A的mRNA，增加其肿瘤蛋白的表达，通过这一途径增加癌细胞的增殖、侵袭能力。该研究还发现METTL3可以募集起始因子eIF3与翻译起始复合物结合从而增强翻译效率，同时还发现细胞质中的METTL3蛋白可以不依赖自身及其他甲基转移酶的活性，其蛋白的N-端具有直接促进目的基因翻译的能力。下调METTL3表达，将明显抑制肺癌细胞增殖、侵袭力，并增加细胞的凋亡。另一项肺癌的研究还发现，miR-33a可以直接靶向METTL3 mRNA的3′UTR区域对其表达发挥抑制作用，使METTL3下游的肿瘤基因EGFR、TAZ、MAPKAPK2和DNMT3A的蛋白表达也相应地下调[23]。白血病的研究[24]也发现，m6A促进了白血病细胞中癌基因c-MYC、Bcl-2和PTEN的翻译，消耗METTL3后促使蛋白激酶B(AKT)磷酸化水平升高，诱导白血病细胞的分化和细胞凋亡，从而延缓白血病进展。肝癌中研究[13]表明，METTL3催化靶基因细胞因子信号转导抑制因子2(SOCS2)的m6A修饰，并通过m6A-YTHDF2途径促使其mRNA降解，抑制该基因的表达，进而促进肿瘤的生长。长期的随访也发现高表达METTL3预示着不良的预后。Cai等[25]发现乳腺癌中存在着HBXIP/let-7g/METTL3/HBXIP正反馈回路，这一机制促进了肿瘤细胞的增殖能力。综上，METTL3催化的m6A修饰引起了某些肿瘤特异性mRNA行为的改变，导致肿瘤蛋白表达和肿瘤细胞生物学行为的改变，从而加速肿瘤的进展。

3.2 METTL3抑制肿瘤的进展 新的证据表明，METTL3并不是在所有肿瘤中都呈高表达，在某些肿瘤中亦呈低表达，其表达的上调能有效抑制肿瘤的进展。m6A和m5c是RNA甲基化的两种主要修饰方式。Li等[26]研究发现，NSUN2催化的m5c与METTL3/METTL14催化的m6A可以协同促进由氧化应激诱导的衰老细胞中p21基因翻译。p21作为细胞周期负调节因子，抑制细胞增殖，进而发挥抑癌基因的作用，也就是说METTL3催化的m6A可能在某些肿瘤中扮演抑癌基因的角色。研究[27]发现，肾癌组织中METTL3呈低表达，通过PI3K/Akt/mTOR途径促进肾癌细胞的增殖、生长、克隆形成，并激活上皮间充质转化(EMT)增加肾癌细胞的迁移和侵袭能力；上调METTL3表达，将明显抑制实体瘤的生长。同时对预后的随访发现，METTL3高表达的病例拥有更长的生存期。宫颈癌的研究[28]表明，与癌旁组织比较，癌组织中m6A呈低表达，并且m6A表达与肿瘤的大小、分期、分化、转移及复发呈负相关关系，认为是预测无病生存期和总生存期的一个独立指标。体外实验也发现，敲低METTL3/METTL14后肿瘤细胞的增殖能力明显增加。

然而METTL3在胶质瘤中扮演的角色则存在一定的争议。Cui等[29]发现METTL3与脑胶质瘤细胞的生长，自我更新以及肿瘤的发生关系密切，敲低METTL3后多达2 600个转录本发生了改变，其中包括肿瘤基因ADAM19、EPHA3、KLF4表达的上调，抑癌基因CDKN2A、BRCA2、TP53I11表达的下调，METTL3表现出抑癌基因的作用。然而另一项研究则得出相反的结论，METTL3在脑胶质瘤中呈高表达，通过METTL3促进转录因子SOX2 mRNA 3′UTR区域的m6A修饰，并与RNA结合蛋白HuR结合增加SOX2 mRNA的稳定性，发挥促癌基因作用[21]。

4 METTL3在肿瘤诊断和治疗中的作用

在前列腺癌的研究中发现，高表达的METTL3具有与PSA联合作为诊断前列腺癌诊断标记物的价值[30]。相关研究还发现，下调METTL3后细胞株的m6A水平下降，相应前列腺癌的生物学行为以及体内成瘤能力受到明显的抑制[31]。提示METTL3可能在肿瘤的诊断和治疗中均发挥重要作用。

Gu等[32]研究表明，m6A修饰显著促进了亚砷酸盐引起的支气管上皮细胞向恶性转化，下调METTL3可以有效逆转细胞恶性表型，抑制细胞克隆形成，并促使细胞凋亡增加。由此说明METTL3有可能参与了亚砷酸盐诱导的肿瘤发生，下调METTL3表达可有效逆转细胞恶性表型，这也表明METTL3有可能是肿瘤治疗的一个潜在靶点。有研究[21]发现，m6A修饰介导了胶质母细胞瘤的DNA损伤修复，敲低METTL3后肿瘤细胞对放疗的敏感性增加。另有研究也发现,下调METTL3基因后，胰腺癌细胞对吉西他滨、5-氟尿嘧啶、顺铂等化疗药物和放疗具有更高的敏感性[33]。在肿瘤的发生发展中，机体的免疫系统通过多途径消除或抑制其生长。近年肿瘤的免疫治疗也是肿瘤治疗的一个重要方向。在T细胞的研究中还发现，细胞因子信号转导抑制因子mRNA的m6A修饰水平下调，可以延缓mRNA降解并促进其蛋白的表达，抑制下游的IL-7/信号转导及转录激活转录因子(IL-7/Stat5)信号通路，抑制幼稚T细胞的增殖和分化，维持T细胞的体内平衡，证实MEETL3所参与催化的m6A修饰与免疫细胞密切相关[34]。

总之，METTL3的异常水平与人类的多种疾病密切相关。目前发现，在不同肿瘤疾病中METTL3靶标不同的基因，促进其mRNA的m6A修饰形成或在细胞质中独立促进某些基因的翻译效率，调控肿瘤相关基因表达，发挥促癌或抑制基因的作用，从而影响肿瘤的发生和进展。同时METTL3在肿瘤的治疗效果中也表现出重要的作用。因此，METTL3为肿瘤的诊断及治疗提供了一个新的方向。当然，关于METTL3在肿瘤中发挥的具体机制以及与其他已知和尚未被鉴别的m6A相关酶的关系仍需进一步探索。