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[转载]权威综述:RNA m6A 与癌症

已有 2126 次阅读 2022-5-13 09:43 |系统分类:科研笔记|文章来源:转载

近年来m6A修饰是表观转录修饰中的研究热点,围绕WriterEraserReader展开了多项研究,整个动态可逆过程影响了被修饰分子的翻译、剪切、转运和加工。疾病方面,m6A调控异常可直接影响肿瘤发生进展,多项工作已经证明了m6A修饰在肿瘤学中的重要作用和分子机制。癌症是研究m6A的主要生物学领域,在多种癌症中,均发现m6A扮演不同角色,相同的regulator在不同的癌症、甚至同一癌症不同细胞系中功能不同,同一癌症中功能类似的regulator干预表型也不相同。

分子细胞生物学实验数据证明RNA m6A修饰的重要生物功能,但是它的临床相关性如何?本期公众号结合m6A在癌症中的最新研究进展,为大家总结重要调控蛋白在不同癌症中的作用(回答:___蛋白在____癌症中通过介导靶分子____达到促癌/抑癌的作用),讨论RNA m6A在肿瘤学当中的潜在应用,文章观点主要来自近期发表的文献综述,相关研究细节可参见原文。

 

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一、回顾RNA修饰研究历程和重要的m6A regulator

图1.png 

1:真核生物中的RNA修饰

20世纪50年代开始越来越多的RNA修饰被发现,最重要的m6A修饰是在1974年被首次提出,是包括哺乳动物、植物、昆虫、酵母和部病毒在内多个物种mRNA上丰度最高的一种修饰随后得益于高通量技术的快速发展和围绕writereraserreader研究的不断开展,生物学家对于RNA修饰的了解越来越全面。

哺乳动物中mRNA1/3m6A修饰,平均每个mRNA3~5m6A修饰片段很多m6A位点是在人、鼠之间同源的序列偏好性是DRACH,主要富集于终止密码子附近。已知m6A广泛存在编码RNA、非编码RNA,参与调控细胞生理、病理过程。整个过程动态可逆,由writereraserreader三类重要蛋白共同调控。

图2.png 

2m6A修饰的生物学机制汇总

1. Writer蛋白(RNA m6A甲基化酶)

包括METTL3METTL5METTL16ZCCHC4METTL14WTAPVIRMAZC3H13RBM15/15B。其中METTL3是最关键的甲基化酶METTL14起到协同作用,与METTL3相互结合为METTL3提供结构支持,从而形成甲基转移酶复合物,跟底物RNA相互结合,WTAP的主要功能是和METTL3/METTL14复合物相互结合,帮助该复合物进行定位,与最佳底物结合。剩余成员为辅助性的功能蛋白,如RBM15可以帮助METTL3WTAP相互结合,CBLL1辅助核mRNA发生m6A甲基化,其中VIRMA比较关键,对m6A分布的区域偏好性有一定影响,是能够帮助m6A修饰定位富集在密码子附近;其中METTL5METTL16ZCCHC4可以独立发挥生物学功能,METTL5就是一种独立的甲基化酶,可以催化一些结构RNA(如18S rRNA28s rRNAsnRNA)发生m6A修饰,TRMT112METTL5相互结合可以增强METTL5的生物稳定性,METTL5TRMT112的关系类似METTL3METTL14METTL16也是独立m6A甲基化酶,结合位点与METTL3/METTL14的结合位点没有重叠,主要调控mRNA的稳定性和剪切过程,对METTL16的过表达或者对催化域的突变可以活化剪切过程,METTL16还可以结合U6 snRNA和大量的ncRNAlncRNApre-mRNAZCCHC4也是一个独立的RNA 甲基化酶,它的催化底物主要是核糖体亚基,影响翻译、细胞增殖等过程,ZCCHC4过表达可以导致肿瘤形成。

2.EraserRNA m6A去甲基化酶)

Eraser蛋白的成员不多,仅有ALKBH5FTO两个蛋白。FTO同时影响内部m6A和帽子结构中的m6A修饰(5cap m6Am),几乎所有的细胞系中的mRNA内部m6A修饰中的10%都是FTO的底物,在脑等其他代谢旺盛的器官中均有高表达,RNA 去甲基化过程在翻译、代谢中作用非常重要。NADP结合FTO可以促进m6A的去甲基化与脂肪生成,FTO的发现也证明了RNA甲基化过程可逆并且在病理、生理状态下可控。ALKBH5功能同FTO类似,ALKBH5广泛在各个组织器官中表达,不同组织中的FTOALKBH5的差异表达表明两个蛋白以不同的信号通路发挥功能,特别的,m6AALKBH5是目前已知的唯一底物

3.Reader蛋白

Reader蛋白最终决定m6A修饰mRNA的命运,这些蛋白的异常也会影响RNA的下游代谢过程。 m6A readerYTH功能域家族蛋白(YTHDF1-3)、YTH功能域包含蛋白(YTHDC1-2)、IGF2PBsHNRNPs(包括hnRNPA2B1hnRNPCHNRNPG)组成。YTHDF1\3可以通过募集翻译起始因子增强mRNA翻译,YTHDC1可以通过募集剪切因子调控mRNA剪切过程,帮助mRNA从核转运至细胞质,最近的研究发现YTHDC1加速一些染色体调控RNAcarRNA)的降解,可以在降低这些RNA在细胞质中丰度的同时增强翻译效率。目前IGF2BPs被认为可以在正常或者应激情况下稳定靶m6A mRNA的结构,HNRNPA2B1可以识别primary miRNAm6a修饰位点并与DGCR8互作。

 

二、m6A与癌症

m6A水平对肿瘤产生深远的影响,已有的研究也表明m6A有可能起到促癌或者抑癌的作用,有些蛋白发挥功能确实依赖m6A修饰,接下来分别介绍m6A在不同癌症中的研究进展。

图4.png 

4:在人类不同癌种中的m6A修饰(不同regulator促癌、抑癌、存在争议的生物作用)

1、 急性骨髓性白血病 AML

由于基因变异的影响,AML存在明显的细胞分化缺陷和失控增长,目前的治疗效果欠佳。之前的研究证明METTL3METTL14可以促进 MYCMYBBCL2SP1PTEN的翻译,从而上调磷酸化AKT的水平;同样,FTO可以增强白血病原癌基因介导的细胞转化,抑制视黄醇酸介导的AML细胞分化,通过下调m6a水平调控ASB2RARA等靶基因的mRNA合成。还有研究显示,R-2HG抑制白血病细胞的增殖,导致FTO活性受到影响从而造成细胞周期阻滞,增加m6A修饰水平,减少MYC/CEBPA转录本的稳定性。Reader方面,在AML细胞中高表达的YTHDF2可以促进肿瘤发展靶向抑制YTHDF2可以延长m6A修饰转录本的半衰期,从而选择性的在不改变细胞正常稳态的情况下阻止AML细胞的起始和增殖,此外在AMLWTAP同样上调,高表达WTAP往往预示着AML的不良预后。

2.胶质瘤GBM

GBM是致死率非常高的原发性脑瘤,METTL3GBM中的作用存在着争议(conflicting conclusions,酶的最终作用与不同GBM细胞系的基因异质性有关。有证明METTL3METTL14通过下调ADAM19/EPHA3/KLF4信号通路抑制胶质瘤母细胞GSC的生长和成瘤ALKBH5同样在GSC当中高表达,沉默ALKBH5抑制GSC的增值此外ALKBH5可以介导FOXM1发生去甲基化,促进细胞增殖。METTL3可以通过靶向SOX23UTR区域从而促进肿瘤生长,抑制METTL3能够抑制肿瘤生长,增强肿瘤放射敏感性,有潜力作为GBM治疗的靶点,类似于AMLWTAP高表达同GBM病人仍是不利预后相关。

3、肺癌Lung Cancer

METTL3是通过多种机制发挥功能的肺癌原癌基因有研究表明METTL3在不借助其他甲基化酶或reader蛋白的帮助就可以增强RNA翻译效率METTL3通过募集翻译起始因子来增强翻译效率,通过上调EGFRTAZ促进肺癌细胞的增长和侵袭。有研究表明mir-33a通过靶向METTL3 mRNA抑制NSCLC增殖,而mir-600可以通过下调METTL3抑制肺癌细胞的迁移和增值。有相关研究发现FTO通过增强USP7的表达可以促进NSLCL的增殖,过表达FTO下调MZF1m6A水平,增强mRNA的稳定性从而上调MZF1的表达量,促进肺癌细胞的增殖和侵袭。此外,ALKBH5被认为有可能通过减少YTHDFs介导的YAP表达从而抑制肿瘤生长和转移。然而对于YTHDF1在肺癌中的作用也存在着不小的争议,目前主要的研究认为YTHDF缺陷可以通过影响cyclin D1CDK2CKD4的翻译效率而抑制NSCLC细胞增殖,另一方面有研究显示高表达YTHDF1与病人更好的预后有一定相关性并且YTHDF1能够促进肿瘤细胞对顺铂的敏感性。

4、 子宫内膜癌

70%的子宫内膜癌病人都会由于METTL3低表达或者METTL14突变导致的功能缺失从而有较低的m6A水平。突变METTL14可以促进癌症细胞增殖和转移,m6A水平在癌症组织中低于癌旁组织。另一项研究中发现,METTL14的下调可以引起AKT通路负调控因子PHLPP2的表达下调,从而上调AKT通路正调控因子mTORC2的表达,最终促进子宫内膜癌细胞的增殖。FTO同样可通过多种机制参与其发生发展,雌激素可以导致FTO在核中聚集,通过靶向Rapamycin细胞该通路,从而增强子宫内膜癌细胞的增殖,雌激素还可以通过活化PI3K/AKTMAPK信号通路来介导FTO过表达,最终促进子宫内膜癌细胞的增殖和侵袭。

5、 卵巢癌OVC

METTL3可以通过促进miR-126-5p的加工成熟加速OVC的进展,也有文章表明METTL3通过激活上皮到间充质的转变促进OVC的生长和侵袭。相比于正常组织,上皮OVC组织中ALKBH5高表达,是潜在的上皮OVC可能的原癌基因之一。IGF2BP1可以明显促进SRC/MAPK驱动的OVC侵袭性生长,且高表达与患者的不良预后有关。最近的研究显示,在顺铂抗性的OVC细胞中,YTHDF1识别并结合m6A修饰的TRIM29位点可以加速TRIM29翻译,因此YTHDF1也是潜在的干预靶点之一。

6、 乳腺癌

包括m6A在内的各种RNA修饰肯定在乳腺癌发生发展中起到了重要作用。有研究表明在乳腺癌中,METTL3HBXIP相互作用,而HBXIP可以通过影响METTL33UTRmiRNA let-7g的相互结合抑制METTL3的表达于此同时METTL3通过m6A修饰促进HBXIP的表达,所以HBXIP/miRNA let-7h/METTL3三者之间形成正反馈调节,从而促进乳腺癌细胞的增殖。LINC00942可以促进METTL14的表达,增强乳腺的增值和进展。Niu等人的研究发现FTO在乳腺癌中高表达,并且表达量越高,预后越差,FTO通过抑制BNIP3促进乳腺癌的增殖和转移,ALKBH5可以调控NANOG上的m6A位点,从而上调NANOG的表达量,敲除ALKBH5可以明显降低NANOG上的甲基化水平,从而抑制乳腺癌的肺转移,同时发现HIFs可以通过调控ZNF217来促进乳腺癌细胞的侵袭和转移。

7、结直肠癌CRC

在结直肠癌中,METTL3 m6A-IGF2BP2/3 依赖性方式作为功能性癌基因发挥作用。 癌基因c-Myc可以促进YTHDF1的表达,诱导癌细胞的增殖和转移,增加其对化疗药物的耐药性。 敲低 c-Myc 可通过 HIF-1a 抑制结直肠癌中 YTHDF1 的表达。 此外,癌基因c-Myc可以促进YTHDF1的表达,诱导癌细胞的增殖和转移,增加其对化疗药物的耐药性。YTHDF3 在体内和体外均通过 GAS5-YAP-YTHDF3 轴负调控 lncRNA GAS5YTHDC2的表达与结肠癌的分期和转移呈正相关。 敲低YTHDC2的表达可通过HIF-1a抑制体内外肿瘤细胞的转移。 除上述所有 m6A 相关癌基因外,在CRC中,METTL14 被证明是一种肿瘤抑制因子,通过不同的分子机制减少结直肠癌的增殖和肿瘤转移。

8、肝癌HCC

肝细胞癌(HCC)是肝脏最常见的原发性肿瘤。有研究发现 METTL3 可以通过 YTHDF2 依赖性转录调控 SOCS2 沉默来促进肝癌细胞的进展。进一步研究表明,METTL14 DGCR8 相互作用并正向调节 miRNA126 的表达。 METTL14的过表达可以抑制小鼠肝癌细胞的转移。根据这些结果,研究者推测METTL14可能通过修饰m6A来调控miRNA 126的表达,进而调控其下游靶点,从而抑制HCC的转移。因此,METTL14可能是HCC重要的不良预后因素。对于IGF2BP家族,IGF2BP1IGF2BP2均被鉴定为促进HCC的致癌基因。YTHDF2不仅作为肿瘤激活蛋白,而且作为肿瘤抑制蛋白。有研究表明,缺氧可诱导肝细胞癌组织中YTHDF2的表达降低。研究者还发现 YTHDF2 的过表达抑制了 HCC 细胞的增殖并激活了 MEK ERKYTHDF2可以直接作用于EGFR mRNA3UTR m6A修饰位点,导致EGFR mRNA降解。此外,缺氧诱导的ERK磷酸化也被YTHDF2阻断,提示缺氧可以下调YTHDF2诱导的ERK磷酸化。 YTHDF2通过降低HCCEGFR mRNA的稳定性来抑制ERK/MAPK信号转导,从而抑制肝癌细胞的增殖。检测WTAP是否与HCC患者的临床病理因素有关,结果显示WTAPHCC中的表达水平高于癌旁组织,与预后较差有关。此外,还定义了VIRMA作为 HCC 的致癌基因。

图3.png 

5:不同regulator在不同癌症中的表达趋势

9、 胰腺癌

胰腺癌被认为是一种高级别恶性肿瘤。相关研究揭示ALKBH5可能通过下调胰腺癌细胞中lncRNA KCNK15-AS1的甲基化并抑制细胞运动而成为胰腺癌的潜在治疗靶点。近期有研究发现METTL3低表达的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更敏感,为胰腺癌的治疗提供了潜在的靶点。许多研究证明,IGF2BP2在胰腺癌中过度表达,促进了癌细胞的增殖。一项病例对照研究表明,FTO基因的变异与胰腺癌风险相关。 YTHDF2促进增殖,同时抑制胰腺癌细胞的迁移和侵袭。

10、 胃癌GC

随着诊断策略的改进,诊断为早期胃癌的患者正在增加。 以往的研究表明,表观遗传学可能在 GC 的发生和生长中发挥重要作用。 Li等通过挖掘TCGA证明FTOALKBH1 mRNA的高表达提示GC预后不良数据库。 METTL3通过增加HDGF mRNA的稳定性和激活AKT信号通路促进GC血管生成和糖酵解。ALKBH5通过降低lncRNA NEAT1的甲基化促进GC的侵袭和转移。部研究结果显示,IGF2BP3 作为致癌基因可促进 GC 中的肿瘤进展。敲除 METTL14m6A 抑制)通过激活 Wnt/PI3K-AKT 信号通路促进 GC 发展,而增加 m6A 水平则逆转了这些表型和分子变化。

 

从上述不同癌症的相关结果中不难看出,目前m6A重要的regulator在调控表型方面通过不同的靶点分子均会产生重要的作用当然正如图4中表示的,部regulator的表型仍然存在争议,在不同的细胞环境中所产生的生物学功能可能截然不同,类似的情况需要研究者进一步细致的讨论。

RNA剪切、编辑、化学修饰的过程更为精细复杂,这种表观修饰虽然没有改变序列本身,但是仍然能给靶分子来多样的影响。除了部分子的功能存在多种可能以外,m6A对非编码RNA分子的影响仍然是个未知的问题,包括enhancer RNApromoter-associated RNArepeat RNAs等结构性、重复性的非编码分子m6A修饰会发生什么改变还需要大量的工作进行研究讨论。越来越多的实验证据也表明,基于这些regulator设计小分子药物进行干预,具有提高治疗化疗、放疗甚至免疫疗法的潜力,目前仍需要大量的相关研究深入探索m6A与肿瘤的关系,才能更好的提出药物设计策略,服务癌症临床治疗。


 




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