m6A去甲基化酶FTO在脂质代谢中的研究进展

黄春晓, 郭雪莹(综述), 相新新(审校)

目前,与脂质代谢紊乱相关疾病的发生率呈升高趋势。其中肥胖、非酒精性脂肪肝为较常见的脂质紊乱疾病,严重威胁着人类的生命健康与生活质量[1]。研究脂质代谢紊乱的发病机制十分重要。研究表明,N6-甲基腺嘌呤(N6-methyladenosine,m6A)修饰与脂质代谢以及脂质紊乱疾病的进展密切相关。m6A是指腺嘌呤第6位氮原子发生了甲基化修饰,是真核信使RNA(messenger RNA,mRNA)中最丰富的表观遗传修饰,其主要分布在mRNA的3′非翻译区(3′untranslated region,3′UTR)、转录起始区(transcription start site,TSS)以及序列编码区(coding sequence,CDS)[2]。由m6A甲基转移酶(m6A transmethylase)、m6A去甲基化酶(m6A demethylase)、m6A识别蛋白(m6A recognition protein)协同调控,从而发挥相应生物学功能[3]。肥胖相关蛋白(fat mass and obesity-associated protein,FTO)作为m6A修饰主要的去甲基化酶,定位于细胞核,能够通过Fe(II)/α-酮戊二酸和2-氧戊二酸依赖的方式动态去除m6A甲基化修饰调控脂质相关基因的表达,从而调控脂质代谢[4]。本文主要对FTO在脂肪、骨骼肌等组织和肝脏中脂质代谢的作用和调节机制进行综述。

1 FTO生物学功能

FTO基因仅存在于脊椎动物和少数几种核苷酸和氨基酸序列高度保守的海藻中。人类FTO基因位于染色体16q12.2,全长约410.50 kb,包括9个外显子和8个内含子,编码多种蛋白质产物[5]。FTO基因上游包含色素性视网膜炎GTP酶调节因子相互作用蛋白-1(retinitis pigmentosa GTPase regulator-interacting protein-1-like,RPGRIP1L)基因的转录起始位点,且第一个内含子含有转录因子CCUT样同源盒1(CUT-like homeobox-1,CUX1)的结合位点。该位点与CUX1结合后促进RPGRIP1L的表达。下游与易洛魁同源盒基因家族(包括IRX3、IRX5、IRX6)相邻[6]。FTO作为m6A修饰的去甲基化酶,可与多种类型的RNA结合并将其去甲基化,如mRNA、snRNA和tRNA等,当FTO发挥去甲基化作用时,m6A修饰的原始位点不能被m6A结合蛋白(如YT521-B同源结构域家族)识别,从而影响RNA的剪接、成熟、翻译或降解[7]。FTO介导的RNA去甲基化可以调控脂质合成过程,在多个脂肪生成基因mRNA的3′UTR区域发挥作用,如过氧化物酶体增殖物激活受体γ(peroxisome proliferator-activated receptor γ,PPARγ)和固醇调节元件-结合蛋白-1c(sterol regulatory element-binding protein-1c,SREBP1c),从而影响甘油三酯和胆固醇的合成[8]。

2 FTO与脂质代谢

2.1FTO在脂肪组织中的脂质代谢 在脂肪组织中,FTO可以调节脂肪分化从而促进脂肪生成和脂肪沉积。脂肪组织通过储存和释放能量维持机体稳态,分为白色脂肪组织(white adipose tissue,WAT)和棕色脂肪组织(brown adipose tissue,BAT)。WAT通过将甘油三酯堆积成大的脂滴来储存化学能,而BAT通过非战栗产热消耗能量来应对机体的需求[9]。缺氧诱导因子1亚基α(hypoxia inducible factor 1 subunit alpha,HIF1A)在促进WAT的褐变和产热中发挥关键作用。研究表明,在高脂喂养条件下构建FTO敲除小鼠模型,发现缺失FTO可以促进HIF1A和相关产热基因的表达,从而显著增加白色脂肪细胞的褐变,在原代白色脂肪细胞中也验证了上述观点[10]。脂肪细胞膜相关蛋白(adipocyte plasma membrane-associated protein,APMAP)在细胞分化过程中起关键作用,能够促进前脂肪细胞向成熟脂肪细胞转化,从而调节脂肪生成。在兔原代前脂肪细胞中,发现过表达FTO通过与YTH结构域家庭蛋白2(YTH m6A RNA binding protein 2,YTHDF2)的识别功能增加APMAP表达,从而促进脂质沉积[11]。锌指蛋白217(zinc finger protein 217,Zfp217)是参与FTO调控脂质代谢的另一个重要因子,Zfp217可以与FTO启动子区域结合并增加其表达,从而降低m6A水平,通过降低成脂基因PPARγ的表达来阻止脂肪分化[12]。已知miRNA130和miRNA155可以抑制CCAAT/增强子结合蛋白β(CCAAT-enhancer-binding protein β,C/EBPβ)引起的前脂肪细胞分化,而FTO可以通过m6A去甲基化下调miRNA130和miRNA155的表达,导致3T3-L1前脂肪细胞中C/EBPβ的上调和前脂肪细胞分化增强[13]。此外,C/EBPβ还可降低脂肪细胞解偶联蛋白-1(uncoupling protein-1,UCP-1)的表达并抑制UCP-1介导的向棕色脂肪细胞表型的转化。UCP-1能够通过脂肪酸氧化和电子传递活动将能量以热的形式释放,在能量代谢过程中起重要作用[14]。Runt相关转录因子1(Runt-related transcription factor 1,RUNX1T1)是一种与脂肪生成相关的转录因子。在3T3-L1前脂肪细胞实验中发现FTO通过增强m6A水平促进富含丝氨酸和精氨酸的剪接因子2(splicing factor 2,SRSF2)的RNA结合能力,从而控制RUNX1T1的外源剪接,调节脂肪分化[15]。除此之外,自噬与脂质代谢密切相关,自噬可以控制脂肪细胞分化且促进脂肪生成,在小鼠实验中敲除FTO可导致自噬相关因子ATG5和ATG7 mRNA修饰水平升高,脂肪生成减少[16]。FTO可以抑制脂肪细胞的脂肪分解。血管生成素样蛋白4(angiopoietin-like protein 4,ANGPTL4)是甘油三酯在细胞内外合成和水解的关键靶点。ANGPTL4可以抑制脂蛋白脂肪酶(lipoprotein lipase,LPL),从而抑制细胞外脂肪分解[17]。FTO以m6A修饰介导的方式与ANGPTL4 mRNA结合并降低其蛋白水平,从而促进细胞外甘油三酯的水解。FTO通过下调UCP-1导致3T3-L1前脂肪细胞的线粒体解偶并降低脂肪分解[18]。易洛魁同源盒基因3(Iroquois homeobox 3,IRX3)在下丘脑中高表达,可以抑制肥胖的发生。在小鼠实验中发现FTO基因的增强子通过下调下丘脑IRX3水平,抑制外周脂肪细胞的脂肪分解,还会减少产热作用及增加WAT[19]。研究表明,RPGRIP1L通过降低瘦素敏感性来增加食物摄入量,FTO内含子1的结合位点与转录因子CUX1相互作用,上调相邻的RPGRIP1L来抑制瘦素受体转运和瘦素信号转导,从而导致热量摄入增加和脂肪分解减少,促进肥胖的发生和发展[20]。因此,在脂肪组织中FTO通过动态调控m6A修饰参与脂肪生成相关基因表达,从而影响脂肪组织生成。

2.2FTO在肝脏中的脂质代谢 FTO表达异常会影响肝脏脂质代谢,导致肝脏疾病的发生。研究发现,敲除FTO通过增加靶向脂肪细胞衍生的白细胞介素6来缓解肝脂肪变性[21]。此外,在小鼠原代肝细胞中敲除FTO增加了脂肪酸合成酶(fatty acid synthase,FASN)mRNA水平以及YTHDF2的表达,从而抑制了脂肪生成[21]。在非酒精性脂肪肝病患者的肝脏中观察到FTO表达显著增加,并且在肝脏中积累了大量脂肪[22]。在体外研究中,FTO的缺失可以减轻内质网应激以及恢复线粒体功能,从而降低HepG2细胞棕榈酸诱导的脂毒性[23]。而FTO过表达会降低m6A水平,从而导致HepG2细胞中脂肪生成相关基因上调以及促进甘油三酯的积累,这与非酒精性脂肪肝病患者中观察到的脂质代谢异常一致。FTO表达水平异常会导致肝细胞过度脂质沉积[24]。研究还发现,在非酒精性脂肪肝病小鼠模型中,FTO通过SREBP1c途径增强肝细胞脂质合成和脂滴扩大。SREBP1c是启动参与脂质合成的下游基因转录的关键转录因子,其过表达导致小鼠广泛肝脂肪变性[25]。除此之外,FTO还通过改变转录因子的活性来调节肝脏脂肪变性,转录激活因子4(acting transcription factor 4,ATF4)是一种主要的转录因子,在脂质代谢中起着重要作用,ATF4缺乏引起小鼠肝脂肪生成相关基因表达水平降低以及极低密度脂蛋白产生减少,可以减轻小鼠肝脏因饮食及饮酒引起的脂肪变性。反之,过表达ATF4可以增强肝细胞中脂质生成基因和蛋白表达,导致甘油三酯水平升高[26]。同样,在斑马鱼中过表达ATF4导致肝脏中脂质积累增加,引起肝脏脂肪变性。FTO作为ATF4正向调节因子,FTO通过上调ATF4促进肝脏脂质积累[26]。FTO过表达会损伤肝细胞线粒体,抑制脂质分解,导致肝脏中脂质堆积。肉碱棕榈酰转移酶1(carnitine palmitoyltransferase 1,CPT1)是一种长链脂肪酸进入线粒体进行β氧化的限速酶,CPT1的缺失会导致线粒体脂肪酸的缺失,从而引起肝细胞的氧化应激[27]。过表达FTO通过降低CPT1 mRNA中的m6A水平和减少肝脏中的脂肪酸氧化来促进肝脏甘油三酯的积累。在HepG2细胞中过表达FTO,氧化应激生物标志物丙二醛的水平显著增加,而抗氧化酶超氧化物歧化酶的水平明显受到抑制,氧化应激进一步加剧线粒体功能障碍并阻碍甘油三酯的分解[27]。此外,FTO过表达已被证明通过上调与线粒体融合有关的特定基因,同时下调与线粒体生物发生和裂变有关的基因,从而减少肝细胞线粒体的生物发生和数量,最终减弱线粒体功能并阻碍肝脂质分解[24]。因此,在肝脏中FTO过表达促进脂肪生成及脂滴增大,抑制脂肪酸氧化,同时损害线粒体并抑制脂质分解,从而导致脂质过度积累。

2.3FTO在其他组织中的脂质代谢 目前除肝脏、脂肪组织外,FTO主要在骨骼肌中被证实具有调控脂质代谢的作用,骨骼肌是脂质摄取、储存及利用的主要场所,也是人体最大的能量产生和消耗器官,还释放各种参与全身代谢的因子。参与调控脂肪分解的脂肪酶主要包括单酰甘油脂肪酶(monoacylglycerol lipase,MAGL)、激素敏感脂肪酶(hormone sensitive lipase,HSL)和脂肪甘油三酯水解酶(adipose triglyceride lipase,ATGL)[28]。据报道,PPARβ/δ过表达可增强小鼠骨骼肌C2C12成肌细胞对脂质的摄取,FTO通过抑制PPARβ/δ的表达导致骨骼肌脂质摄取和代谢障碍,发生高脂血症[29]。腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase,AMPK)是生物能量代谢的关键分子,在骨骼肌的脂质代谢中发挥重要的作用[30]。研究发现,在小鼠C2C12成肌细胞中AMPK通过上调FTO mRNA的m6A甲基化来防止骨骼肌纤维中过多的脂质储存。过氧化物酶体增殖物激活受体1α(peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1-α,PGC1-α)促进线粒体生物合成,促进骨骼肌中的脂质氧化。当胰岛素缺乏时,AMPK活性明显受到抑制,导致FTO表达的上调,从而抑制C2C12成肌细胞中PGC1-α的表达[30]。同时,FTO的表达也抑制了C2C12成肌细胞中CPT1和CPT2介导的脂肪酸从细胞质到线粒体基质的β-氧化。这些脂质氧化相关因子的下调严重破坏了骨骼肌中的脂质利用。此外,当AMPK活性受到抑制时,FTO表达的增加促进骨骼肌中C/EBPα的表达和脂质合成[31]。β1肾上腺素能受体(adrenoceptor beta 1,ADRB1)基因属于G蛋白偶联受体超家族成员,主要分布于心血管系统,可以通过介导体内儿茶酚胺类物质发挥生理效应。研究发现,在兔的肌肉组织和脂肪组织中增加m6A修饰水平会促进ADRB1的表达,进而抑制脂肪细胞的分化,FTO通过上调ADRB1基因的表达以及下调ADRB1 m6A修饰水平,从而促进脂肪细胞的分化[32]。因此,FTO通过靶向ADRB1影响m6A修饰水平从而调控脂肪细胞脂肪分化。在巨噬细胞中,FTO抑制脂质摄取并加速胆固醇的排出。白细胞分化抗原36(CD36)是一种广泛表达于细胞表面的2型清道夫受体,是介导巨噬细胞摄取细胞外脂质的主要转运蛋白。研究发现,FTO过表达会降低CD36 mRNA水平并降低小鼠腹腔巨噬细胞的脂质摄取[33]。此外,FTO促进小鼠巨噬细胞中AMPK磷酸化并上调ATP结合盒转运蛋白A1(ATP-binding cassette transporter A1,ABCA1),从而抑制脂质摄入,促进胆固醇的排出,降低动脉粥样硬化的发展[34]。在小鼠内皮细胞中,FTO的缺失通过增强AKT磷酸化水平防止高脂饮食诱导的胰岛素抵抗和高胰岛素血症,还通过增加前列腺素D合成酶的表达水平从而保留阻力动脉中的肌源性张力预防肥胖诱发的高血压的发生[35]。总之,FTO参与骨骼肌、巨噬细胞、内皮细胞的脂质代谢,其异常表达与动脉粥样硬化等疾病密切相关。

3 结语

FTO通过改变m6A mRNA修饰状态以及与转录因子的相互作用来调节脂肪生成基因表达,从而参与脂质代谢的调节,其异常表达会导致代谢性疾病的发生。FTO表达水平增高引起脂肪生成相关基因增加,促进脂肪分化,那么降低FTO表达可能为治疗脂质代谢相关疾病提供新的治疗方法,目前在筛选抑制FTO去甲基化酶活性的化合物时,已鉴定出大黄酸、恩他卡朋等分子[36]。有报道,高脂饮食诱导的肥胖和胰岛素抵抗小鼠通过大黄酸治疗可以减轻体重和肥胖,但这些抑制剂发挥作用的具体机制有待研究[37]。目前关于FTO抑制剂在脂质代谢紊乱疾病中的研究较少,其作用及机制还需进一步研究。目前关于FTO在脂质代谢中的作用研究已经取得了很好的进展,但发生机制尚未完全明确,仍有许多问题值得进一步研究。同时尚不清楚FTO如何选择不同的m6A阅读器蛋白产生不同的生物学效应,其他m6A去甲基化酶ALKBH5和ALKBH3在脂质代谢中是否影响FTO的调控作用,以及未来有待发现新型去甲基化酶等。此外,脂质代谢紊乱导致胰岛素抵抗、高脂血症和动脉粥样硬化等多种疾病与FTO介导的m6A甲基化密切相关,使其成为潜在的治疗靶点。因此,明确FTO在脂质代谢中的作用及机制,能为防止脂质代谢紊乱疾病提供新的思路和靶点。