RNA甲基化调控细胞衰老机制的研究进展

朱晨雨，程文栎，张文娟

（暨南大学基础医学与公共卫生学院，广东广州 510632）

RNA甲基化是在甲基转移酶催化下，由S-腺苷甲硫氨酸提供甲基供体，在转录后阶段由甲基取代RNA 分子中氮原子和氧原子的过程［1］。RNA 甲基化动态可逆，影响RNA定位、剪接、翻译、稳定性、易位和衰变等多种生物学功能［2］，进而参与调控疾病的发生和发展。

外源因素，如电离辐射、缺氧、化疗药物、氧化物和重金属等，可诱导机体发生氧化应激，进而使RNA 甲基化发生不同程度的改变，导致细胞衰老。细胞衰老可呈现细胞表型变化、代谢重编程、染色质重塑和（或）自噬调节等方面的改变；同时，衰老细胞分泌不同种类的炎症因子和趋化因子，这些复杂的因子组合称为衰老相关分泌表型（senescence-associated secretory phenotype，SASP）［3］。RNA 甲基化参与调控细胞衰老的关键分子事件，并直接影响细胞衰老进程。因此，本文对RNA甲基化调控细胞衰老的机制进行综述，以期为衰老的预防和干预提供新的理论依据和方向。

1 细胞衰老相关的RNA甲基化

RNA 甲基化是动态可逆的，受到甲基转移酶、去甲基化酶和阅读蛋白的联合调控，其中与细胞衰老密切相关的RNA甲基化主要有以下几种类型（图1）。

图1 RNA 甲基化修饰的常见类型及其调控机制. TRMT：tRNA 转移酶；ALKBH：ALKB 同源蛋白；YTHDF：YTH 结构域家族蛋白；NSUN2：NOP2/Sun 结构域家族成员2；ALYREF：Aly/REF 输出因子；METTL：甲基转移酶样蛋白；FTO：脂肪量和肥胖相关蛋白；PCIF1：磷酸化的CTD-相互作用因子1；WRD4：WD重复结构域4.

N1-甲基腺苷（N1-methyladenosine，m1A）修饰是指RNA 分子腺嘌呤第1 位氮原子位置添加甲基基团，可修饰mRNA，tRNA 和rRNA。在mRNA上主要分布于5′非编码区，并参与调节翻译起始过程［4］。m1A 甲基化在tRNA 上比mRNA 丰度更大，tRNA 甲基转移酶6（tRNA methyltransferase 6，TRMT6），TRMT10C，TRMT61A 和TRMT61B 发挥甲基化作用，去甲基化酶AlkB 同源蛋白3（AlkB homologue 3，ALKBH3）发挥去甲基化作用［5］。YTH结构域家族蛋白1（YTH domain family protein 1，YTHDF1）、YTHDF2 和YTHDF3 等，具有m1A 甲基化阅读蛋白的功能［6］。

5-甲基胞苷（5-methylcytidine，m5C）修饰是指RNA 分子胞嘧啶第5 位氮原子位置添加甲基基团，可修饰mRNA，tRNA 和rRNA。m5C 在应激反应、肿瘤发生和胚胎发育等生理病理反应中起重要作用［7］。甲基转移酶NOP2/Sun 结构域家族成员2（NOP2/Sun RNA methyltransferase family member 2，NSUN2）、去甲基化酶ALKBH1 和阅读蛋白Aly/REF输出因子［8］，可联合调控m5C 甲基化动态可逆过程。

N6-甲基腺苷（N6-methyladenosine，m6A）修饰是指RNA 分子腺嘌呤第6 位氮原子位置添加甲基基团，可修饰mRNA，snRNA，rRNA 和tRNA。m6A 修饰参与昼夜节律、生长发育和退化等生理病理过程［9］。甲基转移酶样蛋白3（methyltransferase like 3，METTL3）和METTL14 是m6A 甲基化的核心甲基转移酶［10］，而脂肪量和肥胖相关蛋白（fat mass and obesity associated protein，FTO）和ALKBH5 可作为m6A 去甲基化酶［11-12］。阅读蛋白YTHDF1 能够结合RNA 特定的m6A 甲基化位点参与调控mRNA 翻译，YTHDF2 能促进mRNA降解［13］。

N6，2′-O-甲基腺苷（N6，2′-O-methyladenosine，m6Am）发生于转录起始位点，与哺乳动物细胞中mRNA 的稳定性密切相关。在N7-甲基鸟苷（N7-methylguanosine，m7G）帽子结构形成后，转录起始核苷酸的2′-羟基由帽甲基转移酶1共转录甲基化，第2 个核苷酸的羟基由帽甲基转移酶2 共转录甲基化，当转录起始核苷为2′-O-腺嘌呤（2′-O-methyladeonisine，Am）时，在第6 位氮原子位置由磷酸化的CTD-相互作用因子1 作为甲基转移酶进一步甲基化形成m6Am［14］。FTO 作为去甲基化酶，将m6Am去甲基化为Am［15］。

m7G 即RNA 分子鸟嘌呤第7 位氮原子位置添加甲基基团，发生于mRNA 5′帽子结构，可修饰mRNA，tRNA，rRNA 和pri-miRNA。METTL1 和WD 重复结构域4 复合体介导的m7G tRNA 甲基化增强了mRNA 翻译，并与多种疾病的调控机制相关［16］。

2 RNA甲基化调控细胞衰老的机制

内外源因素均可诱导体内产生过量活性氧（reactive oxygen species，ROS），触发氧化应激反应，促进细胞衰老［17］。持续的炎症反应也可增加体内的氧化应激水平，从而促进衰老进程［18］。细胞自噬可抑制与衰老相关的炎症反应，自噬增加与延缓衰老密切相关［19］。此外，细胞周期阻滞也是细胞衰老的经典特征［20］。因此，氧化应激、炎症、自噬和细胞周期阻滞是细胞衰老的关键事件，并受到RNA甲基化调控，进而影响细胞衰老进程，RNA甲基化调控细胞衰老的机制和作用如表1所示。

表1 RNA甲基化在细胞衰老中的关键分子事件和调控作用

2.1 RNA甲基化调控衰老相关氧化应激

RNA 甲基化通过激活或抑制氧化应激相关信号通路，调控细胞衰老进程［21］。

src 同源性2 含结构域的转化蛋白C1（66-kilodalton isoform of shc gene products，p66Shc）是调控细胞氧化应激的关键蛋白［22］。在高糖环境的氧化应激作用下，上调p66Shc 表达水平会提高NSUN2表达增加m5C甲基化水平，激活p38 MAPK信号通路并增加细胞内ROS水平，使细胞出现早衰现象［23］。

P53 可在不同应激水平下影响线粒体功能，从而调控细胞内ROS 的水平［24］。NSUN2 通过调节miR-125b 水平从而提高P53的表达水平，进而促进氧化应激作用诱导的衰老进程［25］。过表达NSUN2和METTL3/METTL14 增加m5C 和m6A 甲基化水平，协同提高细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子1A（cyclin dependent kinase inhibitor 1A，p21）mRNA的翻译效率，显著增加p21 和衰老相关β-半乳糖苷酶的活性，促进氧化应激所致的细胞衰老［26］。

在敲除METTL3 小鼠的海马体中，氧化应激标志物4-羟基-2 反式壬烯醛显著增加［27］，FTO 可减少m6A 甲基化修饰水平，并增加其靶基因过氧化物酶体增殖物激活受体γ 辅激活子1α mRNA 翻译效率，从而诱导氧化应激发生，增加ROS 水平［28］，促进细胞衰老。

敲除PCIF1 引起m6Am 甲基化表达下降，显著降低超氧化物歧化酶1 mRNA 翻译效率，诱导人肾细胞对氧化应激敏感［14］，使人肾细胞出现早衰。

2.2 RNA甲基化调节SASP和炎症

SASP 是细胞衰老微环境的重要组成成分，可增强自分泌细胞的自主功能并介导细胞旁分泌效应［29］。SASP 持续表达可诱发慢性炎症，导致衰老及相关疾病［30］。慢性炎症状态是衰老特征之一，即“炎性衰老”，与多种老年病密切相关。

敲低TRMT6/61A，可引起小鼠T细胞早期活化时，其tRNA 的m1A 甲基化水平下降，并降低MYC表达水平，从而降低细胞周期蛋白依赖性激酶2 和细胞周期蛋白E水平，进而减轻结肠炎症［31］。

过表达NSUN2 引起m5C 甲基化水平增加，增加靶基因细胞间黏附分子1（intercellular adhesion molecule-1，ICAM-1）mRNA 稳定性和表达水平，并促进血管内皮炎症进程［32］。高同型半胱氨酸血症的T 淋巴细胞中，NSUN2 介导m5C甲基化促进白细胞介素17A（interleukin-17A，IL-17A）表达，进而引起多种慢性炎症性疾病［33］。

SASP 对免疫监视和衰老细胞清除至关重要，而METTL3/METTL14 复合体也以m6A 非依赖性方式正向调节SASP 的表达水平，从而介导衰老细胞清除，延缓衰老进程［34］。脂多糖可上调METTL3，提高人巨噬细胞中m6A甲基化水平，阻止炎症细胞因子IL-6 和肿瘤坏死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）产生，并通过NF-κB 信号通路减轻脂多糖诱导的巨噬细胞炎症［35］。敲低METTL14 引起m6A甲基化水平下降，降低髓样分化因子88（myeloid differentiation factor 88，MyD88）和IL-6 表达水平，显著降低人巨噬细胞炎症反应［36］。ROS 水平升高负向调节YTHDF2 表达，并增加目标基因丝裂原激活蛋白激酶激酶4 mRNA 稳定性和蛋白表达，激活NF-κB 信号，并促进SASP 相关基因表达和过量分泌［37］。

RNA 甲基化可调节SASP 表达水平和作用特征，调控细胞衰老进程。m1A 与m5C 高甲基化水平和METTL14 高表达可促进炎症发生，从而导致细胞衰老；而METTL3 介导m6A 甲基化水平与炎症进程方向相反，其高甲基化水平可抑制炎症进程，并抑制细胞衰老发生。

2.3 RNA甲基化调控衰老相关自噬

自噬已成为许多物种的一个衰老特征，细胞衰老进程中自噬水平降低，而自噬水平降低亦进一步加速衰老，导致细胞早衰和器官功能障碍，并发展为多种衰老相关疾病［38］。

敲低ALKBH3 引起m1A 甲基化水平增加，降低磷酸化蛋白激酶AKT1 抗体底物1 水平，介导其磷酸化激活的哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物1信号传导而促进自噬［39］，抑制细胞衰老的发生。

过表达METTL3 引起m6A 甲基化水平增加，促进靶基因叉头框O3 蛋白（forkhead box O3，FOXO3）mRNA 翻译，进而阻断自噬相关蛋白基因表达抑制自噬［40］。敲低METTL14 和过表达ALKBH5 使m6A 甲基化水平下降，促进靶基因蛋白磷酸酶1A mRNA 翻译，降低靶基因钙/钙调素依赖的蛋白激酶激酶2 mRNA 稳定性抑制自噬［41］。FTO 表达引起m6A 甲基化水平下降，影响UNC-51样激酶1（UNC-51-like kinase 1，ULK1）丰度，促进自噬［42］。

敲低METTL1 引起m7G tRNA 甲基化水平下降，降低靶基因mTORC1调节相关蛋白mRNA 翻译，导致ULK1 异常磷酸化，使得人食管鳞状细胞癌细胞中自噬增加［43］，从而抑制细胞衰老进程。

2.4 RNA甲基化调控衰老相关细胞周期

细胞周期调控细胞分化与增殖，影响细胞功能，与细胞衰老密切相关［44］。敲低ALKBH3 引起m1A 甲基化水平下降，降低还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶2 介导ROS 生成，使细胞周期在G1期阻滞［45］。

过表达NSUN2引起m5C mRNA甲基化水平增加，抑制CDKN1B 翻译，提高CDK1翻译水平，延迟复制性衰老发生［46］。敲低NSUN2使m5C 甲基化水平下降，抑制葡萄膜黑色素瘤细胞增殖，诱导细胞周期在G1期阻滞［47］。

敲低METTL3 引起m6A 甲基化水平下降，导致小鼠原代神经元中CCND1 和CCND2 水平异常升高［27］。敲低FTO 引起m6A 甲基化水平增加，增加CCND1mRNA 降解，诱导细胞周期阻滞于G1期［48］；同时，敲低FTO还可下调CCNA2和CDK2水平，使细胞周期在G1/S期阻滞［49］。

过表达PCIF1引起m6Am甲基化水平增加，并显著增加CCND1 及CDK4 蛋白水平，诱导细胞周期在G2/M期阻滞［50］。

敲低METTL1 引起m7G tRNA 甲基化水平下降，导致富集在m7G tRNA密码子的细胞周期mRNA翻译抑制，使细胞周期在G2/M 期阻滞［16］。因此，RNA 甲基化可参与调控细胞周期进程，从而促进细胞衰老的发生发展。

3 外源因素与细胞衰老

细胞衰老是各种刺激诱发的复杂应激反应，除个人生理特征，如年龄和健康状况外，环境和遗传毒性应激，包括化疗药物依托泊苷、紫外线暴露、高糖浓度、外源环境致癌物和金属及其化合物均可诱导细胞代谢过度活跃，产生丰富的SASP 和炎症因子改变细胞微环境，加速细胞衰老。

百草枯可诱导小鼠神经母细胞瘤细胞Neuro-2a 产生过量ROS 诱导氧化应激，促进高甲基化和细胞衰老，从而进一步在神经元中诱导神经毒性作用和神经退行性疾病，如帕金森病等［51］。急性暴露于高葡萄糖水平的氧化应激，使得总m5C甲基化水平升高，引发人脐静脉内皮细胞衰老发生［23］。高亚砷酸盐暴露（250～1000 μg·L-1）可刺激人体角质形成细胞产生过量ROS 诱导氧化应激，使METTL14 和m6A 表达水平升高［52］，表明在亚砷酸盐暴露下可能会诱导细胞衰老和毒性。长期慢性暴露于结晶二氧化硅，会增加矽肺小鼠整体m6A水平和炎症反应，肺泡巨噬细胞吞噬结晶二氧化硅导致细胞衰老和自噬，肺泡巨噬细胞积累会导致慢性炎症产生［53］。此外，慢性恒定光、氯化钴和麻醉剂七氟醚等外源因素可通过调控相关酶和氧化应激，使相关mRNA 甲基化水平发生改变和促进细胞衰老，导致神经退行性损害和细胞毒性作用［54］。

4 结语

在外源环境因素影响下，包括化疗药物、缺氧条件、紫外线暴露和金属及其化合物等，使机体的RNA 甲基化调控发生改变，从而调控细胞衰老的关键分子事件，包括氧化应激、SASP 和炎症因子、自噬和细胞周期事件，导致促进或抑制细胞衰老。细胞衰老是许多年龄相关疾患的病理基础，当衰老细胞不断累积，会使器官或组织发生异常变化，最终导致与年龄相关疾病发生，常见的疾病有神经退行性疾病、心脑血管疾病和癌症等。

目前对RNA 甲基化与细胞衰老的因果关联研究仍然有限，除m6A 甲基化研究较多外，其他m1A，m5C 和m7G 调控细胞衰老相关机制仍较局限，同时外源因素与RNA 甲基化之间的剂量-反应关系和规律，不同种RNA甲基化类型之间的相互作用等均需要深入探究，这将丰富衰老相关RNA表观遗传学理论，并推动细胞衰老与衰老相关疾患的研究新进展。RNA 甲基化调控机制与细胞衰老的关联，可为细胞衰老及年龄相关疾病的预防和精准干预提供新的线索。