m6A甲基化：糖尿病及其并发症的关键驱动因素

汪 霞，张 娜(综述)，张 琦，刘 静(审校)

(1.甘肃中医药大学第一临床医学院，甘肃 兰州 730000；2.甘肃省人民医院老年医学科，甘肃 兰州 730000；3.甘肃省人民医院内分泌代谢病诊疗中心，甘肃 兰州 730000)

糖尿病(diabetes mellitus, DM)是以高血糖、血脂异常为特征的代谢性疾病。2019年，全球20～79岁成人DM患病率为9.3 % (4.63亿人)[1]。DM会引起许多并发症，包括对几乎所有重要器官(肾脏、心脏、大脑和肺)以及眼睛、周围神经和足部的损害。表观遗传变化存在于许多生理和病理过程中[2]。尽管从DNA修饰到蛋白质修饰，表观遗传调控的多个方面在DM中已经被广泛研究，但对RNA修饰在基因表达调控中的作用才开始被探索[3]。m6A修饰是真核生物信使RNA( messenger RNA,mRNA)中最常见的内部RNA甲基化修饰[2]，在调节细胞的基本生理过程和多种生理功能的基因表达中起着重要的作用[4]。m6A甲基化是基因表达的重要表观遗传调控。近年来的研究表明，m6A甲基化通过调节糖脂代谢和免疫炎症[5]，在DM等代谢疾病的发展中发挥重要作用[6]。本文将对m6A甲基化及生物学功能以及在DM及其常见并发症中的作用进行综述，期待为DM和其并发症的预防和治疗提供新的思路。

1 m6A修饰及生物学功能

1.1m6A修饰 真核生物RNA具有100多种的化学修饰，其中RNA甲基化修饰大约占所有RNA修饰的60%以上[7]，而m6A在甲基化修饰中最为普遍，占到了80%[6]。m6A修饰指的是RNA上的腺苷酸(adenylate,A)的第六位N发生甲基化[8]。mRNA最常见的内部修饰包括m6A、N1-甲基腺嘌呤(N1-methyladenosine,m1A)、5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine,m5C)[9]等，用于维持mRNA的稳定性。m6A甲基化修饰是一个高度动态、可逆的表观遗传修饰[10]，主要发生在细胞核中[6]。m6A不仅在mRNA中被发现，目前发现微小RNA(microRNA)和长链非编码RNA(long non-coding RNAs,lncRNAs)等都有发生m6A修饰[5]。

1.2m6A生物学功能 参与m6A甲基化修饰的蛋白主要包括甲基化转移酶、去甲基化酶以及甲基化阅读蛋白等[10]。甲基化转移酶一般也叫Writers，主要功能是在RNA加上甲基，是一类重要的催化酶，主要介导RNA的甲基化修饰过程[6]。Writers主要包括类甲基转移酶3(methyltransferase-like 3,METTL3)、类甲基转移酶14(methyltransferase-like 14,METTL14)、相关病毒样m6A甲基转移酶(vir-like m6A methyltransferase associated,VIRMA,也被称为KIAA1429)、肾母细胞瘤1相关蛋白(wilms tumor 1-associated protein,WTAP)和RNA结合基序蛋白15(RNA binding motif protein 15,RBM15)[11]等。这些蛋白并不是各自孤立的，而是会形成复合物共同行使催化功能。去甲基化酶也叫Erasers，介导RNA的去甲基化修饰过程[11]，可以将RNA上甲基去除。Erasers主要包括脂肪量和肥胖相关蛋白(fat mass and obesity-associated protein,FTO)、α-酮戊二酸依赖性双加氧酶alkB同源物3(α-ketoglutarate-dependent dioxygenase alkB homolog 3,ALKBH3)和α-酮戊二酸依赖性双加氧酶alkB同源物5(α-ketoglutarate-dependent dioxygenase alkB homolog 5,ALKBH5)[6,11]。甲基化阅读蛋白也叫Readers，参与下游RNA的翻译、降解等过程[11]，主要识别RNA甲基化修饰的信息。Readers主要包括YTH结构域包含蛋白1-2(YTHDC1-2)和YT521-B同源物(YT521-B homology,YTH)的YTH结构域蛋白家族1-3(YTHDF1-3)[12]等。m6A酶类型及功能见表1。

表1 m6A酶类型及功能

Writers：甲基化转移酶、Erasers：去甲基化酶、Readers：甲基化阅读蛋白、METTL3：类甲基转移酶3、METTL14：类甲基转移酶14、WTAP：肾母细胞瘤1相关蛋白、KIAA1429/VIRMA：相关病毒样m6A甲基转移酶、RBM15：RNA结合基序蛋白15、FTO：脂肪量和肥胖相关蛋白、ALKBH3：α-酮戊二酸依赖性双加氧酶alkB同源物3、ALKBH5：α-酮戊二酸依赖性双加氧酶alkB同源物5、YTHDC1：YTH结构域包含蛋白1、YTHDC2：YTH结构域包含蛋白2、YTHDF1：YTH结构域蛋白家族1、YTHDF2：YTH结构域蛋白家族2、YTHDF3：YTH结构域蛋白家族3

2 m6A甲基化与DM

2型糖尿病(type 2 diabetes,T2DM)，以高血糖、血脂异常为特征，其发病机制与不同水平的基因表达改变有关[6]。m6A修饰在血糖稳态中发挥重要作用[15]。m6A稳态是通过m6A甲基化转移酶复合物和去甲基化酶的协调调控实现的[2]。Bornaque等[16]研究报道，与正常志愿者相比，T2DM患者的外周血清中m6A的含量明显降低，FTO和METTL3 mRNA的表达水平明显升高，并且FTO mRNA表达水平的变化与葡萄糖水平变化相似。但是，Zha等[17]研究发现T2DM患者外周血中METTL3的表达水平较低，高糖可以抑制视网膜色素上皮(retinal pigment epithelium，RPE)细胞中METTL3的表达，并且上调METTL3可减轻高糖对RPE细胞的细胞毒作用，下调METTL3则有相反的作用。这与之前的研究结果不一致。因此，m6A甲基化转移酶在DM中的作用仍有待研究。

Li等[18]研究发现METTL3在炎症和氧化应激条件下下调，胰岛β细胞特异性缺失METTL3诱导β细胞衰竭和高血糖。Wang等[19]在糖尿病db/db小鼠和T2DM患者中，均观察到胰岛β细胞中METTL3、METTL14的表达降低，条件敲除METTL14可导致胰岛β细胞胰岛素分泌减少和血糖不耐受。这些研究结果表明METTL3和METTL14是维持胰岛β细胞功能所必需的。METTL14已经被证明可以与METTL3形成稳定的异质二聚体。但是在缺乏METTL14的胰岛中，METTL3的水平略有升高而不是降低。因此，需要进一步的研究为这一结果作出解释，来明确METTL3和METTL14复合物在胰岛中的作用机制。

3 m6A甲基化与糖尿病并发症

3.1m6A甲基化与糖尿病肾病(diabetic nephropathy,DN) DN是DM常见的微血管并发症之一，是一种慢性进行性的肾脏疾病，最终可以导致终末期肾脏疾病的发生[20]。DN的病理特征包括肾脏的各种结构和功能改变，包括肾小球和肾小管肥大、细胞外基质(extracellular matrix,ECM)积累、系膜基质扩张、足细胞功能障碍等[21]。m6A修饰可调节炎症和凋亡，这是介导DN病理损伤的重要机制。足细胞损伤是蛋白尿肾病进展中最重要的决定因素之一。Jiang等[2]发现m6A修饰在1型糖尿病(type 1 diabetes,T1DM)和T2DM小鼠的肾脏中显著上调，并且是由METTL3水平升高引起的。此外，在DN患者的肾活检中，也发现足细胞METTL3升高，并且与肾损害有关[2]。该研究进一步证实足细胞条件敲除METTL3能显著减轻链脲佐菌素(streptozotocin,STZ)诱导的糖尿病小鼠足细胞损伤和蛋白尿[2]。METTL14在人类疾病中的作用已被广泛阐明。Li等[22]发现METTL14在DN患者的肾组织和高糖培养的肾小球内皮细胞中上调，并且METTL14的过表达促进了肾小球内皮细胞的凋亡和炎症反应，加重了DN小鼠的肾损伤。Xu等[23]发现敲除METTL14可以保护肾脏免受肾缺血再灌注损伤。Lu等[24]也揭示了METTL14介导的m6A RNA修饰在DN小鼠或经过阿霉素(adriamycin,ADR)处理的小鼠以及DN患者的肾组织中上调，并且发现敲除METTL14可通过促进自噬、减轻凋亡和炎症对受损足细胞起到保护作用。以上的研究结果揭示了METTL14、METTL3介导的m6A修饰在DN中的新功能，为了解DN中m6A修饰提供了一个新的视角，并且条件敲除METTL14、METTL3有可能是DN新的治疗靶点。

3.2m6A甲基化与糖尿病视网膜病变(diabetic retinopathy,DR) DR是DM常见的微血管并发症，是DM患者视力残疾和失明的主要原因[25]。周细胞丢失、微动脉瘤和脱细胞毛细血管是糖尿病视网膜血管的重要病理特征[26]。Suo等[27]研究发现，DM应激下小鼠视网膜和周细胞m6A RNA甲基化水平显著上调，并且是由METTL3表达增加引起的。由此可见，METTL3参与DM诱导的视网膜血管并发症的发生。此外，通过降低m6A甲基化可以抑制DM诱导的视网膜周细胞功能障碍，减轻视网膜血管并发症[27]。这表明m6A甲基化是周细胞生物学的内在调节因子。Yao等[28]发现条件敲除METTL3可以减少周细胞损失和DM引起的视网膜血管并发症。但是，Zha等[17]发现高糖状态可以抑制人RPE细胞中METTL3的表达,并且过表达METTL3可以逆转高糖对人RPE细胞凋亡和焦亡的促进作用。相反，通过敲除METTL3来加重。这一研究结果说明METTL3过表达对高糖诱导的RPE细胞死亡起保护作用。因此，m6A RNA甲基化在DR中发挥的作用存在争议，这些研究结果的不同可能与不同的组织来源有关。m6A RNA甲基化在DR中的作用机制有待进一步研究。

3.3m6A甲基化与糖尿病性心肌病(diabetic cardiomyopathy,DCM) DM不仅增加了心力衰竭的风险，而且使心力衰竭的病死率增加了2.5倍[29]。DCM是DM在发生发展中因代谢异常引起的一种特殊类型的心肌病，导致心肌葡萄糖消耗减少，酮代谢轻度增加，脂肪酸利用显著增加[29]。研究表明，m6A修饰与正常的生物过程以及不同类型心脏病(如心肌肥厚、心脏重塑、心肌梗死和心力衰竭)的起始和进展有关[30]。研究表明，FTO在哺乳动物缺氧的心肌细胞中表达下调，并且可以通过增加RNA中m6A的水平来降低心肌细胞的收缩功能[31]。Ju等[32]研究发现FTO在DCM模型小鼠中下调，DCM模型小鼠过表达FTO可通过减少心肌纤维化和心肌细胞肥大改善心功能。此外，FTO敲除可导致心功能受损，促进心衰[30]。因此，过表达FTO有可能是DCM新的治疗靶点。FTO介导的m6A去甲基化调控在DCM中的新作用，有助于扩展今后在DCM进展中对表观遗传调控的理解。m6A是lncRNA等RNA最重要的表观遗传调控之一。Meng等[33]研究发现在DCM大鼠心肌细胞中，METTL14表达下调。研究进一步证实METTL14增加了末端分化诱导的非编码RNA(terminal differentiation-induced non-coding RNA,TINCR) 基因m6A甲基化水平，通过下调TINCR来抑制DCM[33]。揭示了METTL14介导的m6A甲基化和lncRNA调控在DCM中的新作用。

3.4m6A甲基化与认知障碍 DM是一种常见的慢性疾病。DM患者认知障碍、抑郁和焦虑的患病率较高。研究表明，在T2DM患者中，轻度认知障碍(mild cognitive impairment,MCI)的患病率约为45%[34]。认知障碍是一种严重的糖尿病相关并发症，严重挑战着对未来卫生资源的需求。尽管有报道称轻度高血糖可增强认知功能，但越来越多的证据表明，长期的高水平葡萄糖会导致神经元死亡，并增加认知障碍的风险[35]。海马体是认知和记忆的中心。因此，海马神经元损伤是这些患者认知障碍发展的关键。越来越多的证据表明，m6A信号通过促进小鼠大脑可塑性相关基因的翻译，在学习和记忆中发挥重要作用。缺乏m6A甲基化转移酶METTL3或METTL14的小鼠表现出突触可塑性、学习和记忆巩固的障碍；相反，通过抑制m6A去甲基化酶FTO的表达来增加m6A的含量，可以促进小鼠记忆的巩固[36]。由此可见，甲基化转移酶缺失会导致神经元发育缺陷和神经元分化受损。

甲基化阅读蛋白，如YTHDF1，也显著参与突触可塑性和神经元发育[30]。研究表明，在神经元刺激下，目标转录物YTHDF1依赖的m6A蛋白合成促进成年小鼠海马的学习和记忆。YTHDF1基因缺失的小鼠表现出学习和记忆缺陷以及海马突触传递和长时程增强受损。Zhang等[37]发现YTHDF1表达下调会阻碍小鼠的精细运动功能和学习记忆能力。这与之前的研究结果一致。Li等[38]研究发现高糖可上调YTHDC2和ALKBH5的表达，下调YTHDF1、YTHDF3和WTAP的表达。说明参与m6A修饰的酶类的异常表达在STZ诱导的糖尿病认知功能障碍中起重要作用。此外，YTHDF1在海马过表达不能逆转糖尿病症状，但可以改善小鼠的认知障碍[35]。证明YTHDF1可能是一种有前景的治疗糖尿病认知功能障碍的靶点。

以往的研究表明，无论是DM患者还是该疾病的大鼠模型，m6A的总体含量都较低。这些研究学者主要关注的是FTO，并发现它在DM患者和糖尿病大鼠的血液中都有升高。但Song等[35]研究发现DM大鼠海马组织中FTO表达下调。这可能与不同的组织来源有关。因此，FTO在DM患者中枢神经系统中的作用仍有待研究。

3.5m6A甲基化与糖尿病足 糖尿病足是DM严重的慢性并发症之一。糖尿病足的伤口愈合明显延迟这是广为人知的，这与皮肤表皮有关。表皮在皮肤伤口愈合中起着关键作用，其主要成分是角质形成细胞。此前的一项相关研究发现，DM患者皮肤组织的表皮明显比对照组更薄。因此，表皮变薄可能是糖尿病创面延迟愈合的关键因素。有研究[39]表明，死骨片1(sequestosome 1,SQSTM1)是高糖处理的角质形成细胞中的一个关键基因，与糖尿病并发症有关，并且可能是通过自噬介导的。Liang等[39]观察到YTHDC1在DM表皮角质形成细胞中表达下调，并且YTHDC1基因的下调导致角质形成细胞中SQSTM1核mRNA降解，影响角质形成细胞的生物学功能(包括增加凋亡率和降低迁移能力)，延迟创面愈合。这些研究结果表明，YTHDC1基因的下调会影响角质形成细胞的生物学功能。角质形成细胞中YTHDC1的减少导致的细胞功能障碍和自噬障碍可能是糖尿病皮肤表皮变薄的原因之一。

4 小结与展望

近年来，在RNA修饰水平上对基因表达调控复杂性的认识正在迅速发展。本文综述了m6A 相关调控因子的生理功能以及在DM及其并发症中的潜在作用。虽然已经有大量的研究结果表明DM及其并发症与m6A RNA修饰的功能作用相关，但对RNA修饰在基因表达调控中作用的研究还处于早期阶段，仍有许多的知识空白有待填补。即使是在相同疾病的T2DM患者中，不同的研究小组也得出了有争议的结论，这可能是受细胞环境等因素影响的。因此，还需要进一步的实验来解释验证这些差异。

m6A修饰研究的快速发展可以帮助更深一步了解DM及其并发症的发病机制，并其可能成为DM及其并发症的新的治疗靶点。但是，距离全面理解m6A修饰背后的机制还很遥远。未来对m6A修饰的研究可以集中在以下几个方面：首先，在RNA携带的100多种化学修饰中，有多少存在于人类细胞尚不清楚；二是大量的临床研究以及可作为早期诊断和预后预测因子的筛选因子；第三，有关m6A相关靶向DM及其并发症治疗的研究，可能为其治疗提供新的潜在选择。