m6A修飾對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能及疾病的影響

史佳賓，王大勇，夏晴，高旭

m6A修飾對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能及疾病的影響

史佳賓1,2,3，王大勇1,2,3，夏晴1,2,3，高旭1,2,3

1. 哈爾濱醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室，哈爾濱 150081 2. 哈爾濱醫(yī)科大學(xué)北方轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究合作中心，哈爾濱 150081 3. 黑龍江省醫(yī)學(xué)科學(xué)院，哈爾濱 150081

6-甲基腺嘌呤(6-methyladenosine, m6A)是一種重要的RNA修飾，參與細(xì)胞內(nèi)mRNA的整個(gè)代謝活動(dòng)，調(diào)控基因的表達(dá)，調(diào)節(jié)多種生物過程，在大腦組織中豐度較高。穩(wěn)定的m6A修飾有助于胚胎大腦發(fā)育、記憶力的形成，在維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)的功能中起到重要作用。當(dāng)m6A修飾水平及相關(guān)蛋白表達(dá)水平發(fā)生改變時(shí)，將會(huì)引起神經(jīng)系統(tǒng)功能異常，包括腦組織發(fā)育遲緩、軸突再生能力障礙、記憶力改變以及干細(xì)胞更新和分化紊亂等。近年來的研究還發(fā)現(xiàn)，m6A修飾及其相關(guān)蛋白在阿爾茨海默癥、帕金森癥、脆性X染色體綜合征、抑郁癥和膠質(zhì)母細(xì)胞瘤等眾多神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)展進(jìn)程中扮演關(guān)鍵角色。本文主要綜述了近年來在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中m6A修飾調(diào)控機(jī)制研究的相關(guān)進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了m6A修飾介導(dǎo)的基因表達(dá)調(diào)控對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)生物學(xué)功能以及多種相關(guān)疾病的影響，以期為中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病提供新的研究靶點(diǎn)和治療方向。

6-甲基腺嘌呤(m6A)；中樞神經(jīng)系統(tǒng)；干細(xì)胞；突觸；記憶

近年來，隨著對(duì)RNA m6A甲基化功能的不斷研究，發(fā)現(xiàn)m6A修飾水平的動(dòng)態(tài)改變能夠直接影響RNA代謝、蛋白質(zhì)功能。目前已在多個(gè)與腫瘤相關(guān)的癌基因中發(fā)現(xiàn)m6A修飾的身影，提示m6A修飾有可能是控制腫瘤發(fā)生、抗腫瘤免疫的重要調(diào)控修飾[1]。此外m6A修飾還具有調(diào)控生物機(jī)體晝夜節(jié)律、DNA損傷修復(fù)、脂肪生成、神經(jīng)發(fā)生和大腦發(fā)育等分子功能。m6A修飾即mRNA上的腺嘌呤第6位在甲基轉(zhuǎn)移酶復(fù)合物(methyltransferase complex, MTC)的作用下發(fā)生甲基化反應(yīng)形成的一種甲基化修飾，它是一個(gè)受到甲基化轉(zhuǎn)移酶和去甲基化轉(zhuǎn)移酶共同調(diào)控的可逆過程。利用高通量測(cè)序等方法對(duì)m6A修飾進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，m6A修飾通常富集在終止密碼子和非編碼區(qū)附近，RNA在甲基化轉(zhuǎn)移酶的催化作用下發(fā)生甲基化，在去甲基化轉(zhuǎn)移酶催化作用下去除甲基化，m6A甲基化位點(diǎn)可被識(shí)別蛋白識(shí)別，參與并調(diào)控轉(zhuǎn)錄后修飾過程[2]。目前在真核生物中已發(fā)現(xiàn)100多種不同類型的RNA修飾，包括6-甲基腺嘌呤(6-methyladenosine, m6A)、1-甲基腺嘌呤(1-methyladenosine, m1A)、5-甲基胞嘧啶(5-methy-lcytidine, m5C)、5-羥甲基胞嘧啶(5-hydroxylmethy-lcytidine, hm5C)、肌苷修飾(inosine, I)、假尿苷修飾(pseudouridine, ψ)等，其中m6A修飾豐度最高，m6A修飾和m5C修飾均能夠調(diào)控RNA代謝過程等重要的生物學(xué)功能，目前研究者發(fā)現(xiàn)了m6A修飾在機(jī)體生物學(xué)功能中的多種調(diào)控機(jī)制，但是對(duì)于mRNA中m5C修飾的具體作用方式并不完全清楚[3]。在大腦中存在著豐富的m6A修飾，該修飾通過調(diào)控mRNA代謝使神經(jīng)系統(tǒng)正常行使其功能。當(dāng)參與m6A修飾的關(guān)鍵酶表達(dá)異常時(shí)，m6A修飾水平會(huì)發(fā)生改變，從而影響mRNA代謝紊亂，轉(zhuǎn)錄和翻譯障礙等分子功能，繼而導(dǎo)致機(jī)體神經(jīng)系統(tǒng)的生理功能障礙。本文對(duì)m6A修飾的基本概念、m6A修飾調(diào)控RNA代謝的分子機(jī)制以及m6A修飾在中樞神經(jīng)系統(tǒng)及疾病中的生物學(xué)作用等方面進(jìn)行了相關(guān)的闡述，以期能夠更深入了解m6A修飾的作用方式，探尋m6A修飾與中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)展的關(guān)聯(lián)。

1 影響m6A修飾的相關(guān)酶和識(shí)別蛋白

m6A是一種重要的表觀遺傳學(xué)修飾，需要寫入基因(Writers)，擦除基因(Erasers)，讀取基因(Readers)編碼的多種調(diào)控蛋白共同參與[4]。甲基化轉(zhuǎn)移酶復(fù)合物參與m6A修飾的產(chǎn)生，去甲基化轉(zhuǎn)移酶(和)等能夠去除m6A，二者在細(xì)胞內(nèi)共同維持mRNA的甲基化和非甲基化之間的動(dòng)態(tài)平衡。Readers編碼的蛋白是一類RNA結(jié)合蛋白，這種蛋白能夠識(shí)別發(fā)生m6A修飾的位點(diǎn)并與m6A結(jié)合，與甲基化轉(zhuǎn)移酶復(fù)合物和去甲基化轉(zhuǎn)移酶共同參與調(diào)控mRNA的代謝活動(dòng)。m6A修飾的多樣性和可逆性使m6A修飾在參與機(jī)體中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能的調(diào)控中具有更復(fù)雜的生理機(jī)制(表1)。

表1 m6A修飾的相關(guān)酶在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的功能與作用

1.1 Writers

m6A修飾的甲基化轉(zhuǎn)移酶復(fù)合物，主要由、、和組成[5,6]，還包括、、、()、等組分。其中是甲基化轉(zhuǎn)移酶的核心組分，起催化作用，負(fù)責(zé)募集RNA，二者形成異源二聚體，共同促進(jìn)m6A修飾的產(chǎn)生。負(fù)責(zé)穩(wěn)定復(fù)合物的作用，、負(fù)責(zé)協(xié)助與結(jié)合，使它們可以準(zhǔn)確定位到靶位點(diǎn)，與其他蛋白共同參與m6A修飾的產(chǎn)生。此外，還有新的與甲基化相關(guān)的酶類陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，例如可通過與甲基化轉(zhuǎn)移酶激活劑結(jié)合形成異源二聚體的方式，參與18S rRNA的m6A修飾，ZCCHC4也是一種m6A修飾酶，它可參與28S rRNA上A4220位的m6A修飾[7]。作為甲基化轉(zhuǎn)移酶不僅可以催化U6 snRNA發(fā)生甲基化，還能夠結(jié)合蛋氨酸腺苷轉(zhuǎn)移酶II() 3'UTR中的發(fā)卡結(jié)構(gòu)(hp1)，調(diào)節(jié)mRNA的穩(wěn)定性和剪接，進(jìn)而調(diào)控S-腺苷甲硫氨酸(SAM)的穩(wěn)態(tài)[8,9]。這些研究結(jié)果提示可能還存在其他可以調(diào)控m6A生成及變化的作用因子，在未來的研究中有待發(fā)現(xiàn)。

1.2 Erasers

m6A修飾的去甲基化轉(zhuǎn)移酶，可催化已發(fā)生m6A修飾的堿基進(jìn)行去甲基化，目前只鑒定出ALKB家族的肥胖相關(guān)蛋白()和ALKB同源蛋白5()屬于該類轉(zhuǎn)移酶[16~18]。2007年，研究者發(fā)現(xiàn)是一種與肥胖相關(guān)的基因[19,20]。2011年美國(guó)芝加哥大學(xué)的何川教授首次證實(shí)能夠催化m6A發(fā)生去甲基化，證明m6A修飾是動(dòng)態(tài)可逆的過程[17]。隨著不斷對(duì)介導(dǎo)的m6A修飾機(jī)制的深入研究，發(fā)現(xiàn)能將m6A依次氧化成不穩(wěn)定的中間產(chǎn)物6-羥甲基腺苷(hm6A)和6-甲酰腺苷(f6A)，然后轉(zhuǎn)變成正常的腺苷酸(A)，并且由于定位不同，發(fā)生去甲基化的對(duì)象也不同，在細(xì)胞核內(nèi)介導(dǎo)發(fā)生m6A去甲基化反應(yīng)，細(xì)胞質(zhì)內(nèi)介導(dǎo)發(fā)生6,2′-O二甲基腺苷(m6Am)去甲基化反應(yīng)[21,22]。此外研究者在2013年發(fā)現(xiàn)了第二種去甲基化轉(zhuǎn)移酶：蛋白，該蛋白主要利用氧化性催化RNA上m6A發(fā)生去甲基化反應(yīng)，和這兩種蛋白水平的變化都會(huì)對(duì)m6A修飾水平產(chǎn)生顯著的影響[16]。

1.3 Readers

m6A結(jié)合蛋白，包括YTH結(jié)構(gòu)域蛋白()、異質(zhì)核糖核酸蛋白(、、)以及胰島素樣生長(zhǎng)因子2結(jié)合蛋白(、、)等。這類蛋白能夠識(shí)別mRNA上發(fā)生甲基化的堿基位點(diǎn)，通過直接或間接的方式與其結(jié)合，從而影響RNA的代謝[23]。其中，RNA結(jié)合蛋白能夠在細(xì)胞質(zhì)中與翻譯起始因子協(xié)調(diào)促進(jìn)RNA翻譯過程。RNA結(jié)合蛋白可與發(fā)生m6A甲基化的mRNA結(jié)合，與相互作用，使靶mRNA去腺苷酸化，調(diào)控mRNA的降解。RNA結(jié)合蛋白與共同協(xié)調(diào)作用促進(jìn)轉(zhuǎn)錄翻譯過程，影響介導(dǎo)的mRNA降解過程。RNA結(jié)合蛋白識(shí)別并結(jié)合m6A位點(diǎn)可增強(qiáng)mRNA穩(wěn)定性并促進(jìn)翻譯過程[24]。RNA結(jié)合蛋白識(shí)別細(xì)胞核內(nèi)pri-miRNA上的m6A修飾調(diào)控外顯子的選擇性剪接[25]。隨著對(duì)RNA識(shí)別位點(diǎn)的精確定位以及高通量測(cè)序等技術(shù)的應(yīng)用，研究者不斷發(fā)現(xiàn)了各種m6A結(jié)合蛋白，這使m6A的調(diào)控功能具有了更多的復(fù)雜性和多樣性。

2 m6A修飾在RNA代謝中的作用

m6A修飾參與mRNA代謝的整個(gè)過程，與RNA結(jié)合蛋白通過直接或間接的結(jié)合方式，在RNA成熟體加工、RNA可變剪接、RNA出核轉(zhuǎn)運(yùn)、RNA翻譯和RNA穩(wěn)定等過程中發(fā)揮不可替代的作用。

2.1 m6A修飾參與miRNA成熟體的加工過程

microRNA (miRNA)是一類長(zhǎng)度為18~25nt的內(nèi)源性單鏈非編碼RNA，通過堿基互補(bǔ)配對(duì)的方式阻止mRNA的翻譯或使mRNA降解，miRNA是調(diào)控轉(zhuǎn)錄后基因表達(dá)的重要分子。miRNA成熟的第一步是RNA結(jié)合蛋白識(shí)別初級(jí)轉(zhuǎn)錄本(pri-miRNA)，招募與III型核糖核酸酶Drosha并形成復(fù)合體，然后裂解雙鏈RNA，產(chǎn)生具有莖環(huán)結(jié)構(gòu)的precursor miRNAs (pre-miRNA)。研究者于2015年首次證實(shí)了m6A修飾水平改變能夠影響miRNA的成熟過程，這是由于m6A甲基化轉(zhuǎn)移酶介導(dǎo)pri-miRNA發(fā)生甲基化反應(yīng)，然后被特異性識(shí)別并與該位點(diǎn)結(jié)合，從而剪切雙鏈RNA產(chǎn)生pre-miRNA。且當(dāng)降低表達(dá)時(shí)，與pri-miRNA的結(jié)合能力下降，導(dǎo)致pre-miRNA表達(dá)量降低，而pri-miRNA含量增加，證明介導(dǎo)的m6A修飾參與了miRNA的加工過程[26]。此外，RNA結(jié)合蛋白能夠識(shí)別并結(jié)合細(xì)胞核內(nèi)pri-miRNA上的m6A修飾，與協(xié)同作用，調(diào)控外顯子的選擇性剪接，促進(jìn)pri-miRNA的加工，因此作為m6A的閱讀蛋白在一定程度上影響著pri-miRNA的加工成熟過程[25]。

2.2 m6A修飾參與RNA的可變剪接

RNA的剪接過程是RNA代謝過程中的重要一環(huán)，其中包括精確的切除內(nèi)含子和正確的連接外顯子，從而確保產(chǎn)生具有生物學(xué)功能的成熟mRNA。隨著研究者們的不斷研究，發(fā)現(xiàn)剪接的外顯子和內(nèi)含子上均存在顯著的m6A修飾，因此提示我們由m6A結(jié)合蛋白介導(dǎo)的m6A修飾參與并調(diào)控mRNA的選擇性剪接過程。例如，m6A修飾的RNA因短雙螺旋結(jié)構(gòu)被破壞發(fā)生去折疊，暴露隱藏的蛋白質(zhì)結(jié)合位點(diǎn)，可被異質(zhì)核糖核蛋白和識(shí)別并結(jié)合，從而促進(jìn)其外顯子的連接。RNA結(jié)合蛋白可直接與m6A位點(diǎn)結(jié)合，募集剪接因子，阻斷，從而促進(jìn)外顯子的連接，參與m6A修飾有關(guān)的RNA剪接過程的調(diào)控[27]。

2.3 m6A修飾參與mRNA的出核轉(zhuǎn)運(yùn)過程

研究者發(fā)現(xiàn)加工成熟的mRNA在TAP-P15復(fù)合體和銜接蛋白的協(xié)同作用下從細(xì)胞核中轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)中，然后在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行翻譯表達(dá)或者降解，而m6A修飾水平的變化可以影響mRNA的出核轉(zhuǎn)運(yùn)過程。例如去甲基化轉(zhuǎn)移酶通過調(diào)控ASF/SF2的磷酸化水平，影響mRNA的出核過程，當(dāng)缺失時(shí)，ASF/SF2的磷酸化水平降低，增強(qiáng)了與TAP-P15復(fù)合體的相互作用，促進(jìn)mRNA出核[16]。甲基化轉(zhuǎn)移酶的表達(dá)降低可使mRNA的出核轉(zhuǎn)運(yùn)過程受到抑制，RNA結(jié)合蛋白表達(dá)降低將導(dǎo)致mRNA向細(xì)胞質(zhì)運(yùn)輸?shù)哪芰υ鰪?qiáng)[16,28]。此外，是介導(dǎo)的出核轉(zhuǎn)運(yùn)途徑中的關(guān)鍵因子，與相互作用，促進(jìn)發(fā)生m6A修飾的mRNA出核。mRNA的出核轉(zhuǎn)運(yùn)過程是連接mRNA轉(zhuǎn)錄和翻譯的關(guān)鍵過程，而m6A相關(guān)蛋白介導(dǎo)的m6A修飾能夠影響該途徑中的關(guān)鍵因子，因此m6A修飾對(duì)該過程的調(diào)控可能是影響基因表達(dá)的重要原因。

2.4 m6A修飾促進(jìn)mRNA翻譯

真核生物中mRNA的翻譯包括起始、翻譯和終止3個(gè)階段，其中起始階段最為關(guān)鍵。翻譯起始機(jī)制有兩種，分別為經(jīng)典的帽依賴性掃描機(jī)制和非帽依賴性翻譯機(jī)制[29]。在成熟的mRNA外顯子上還存在著豐富的m6A修飾，它通過調(diào)控不同的翻譯起始機(jī)制來影響轉(zhuǎn)錄本的翻譯過程。例如，m6A修飾的結(jié)合蛋白可將發(fā)生甲基化的mRNA與核糖體偶聯(lián)，招募翻譯起始因子3 (eIF3)增強(qiáng)翻譯的限速步驟，以此促進(jìn)mRNA的翻譯過程[30]。甲基化轉(zhuǎn)移酶以不依賴甲基化轉(zhuǎn)移酶活性的方式也參與了mRNA的翻譯過程，在人類肺癌細(xì)胞中通過與翻譯起始相關(guān)因子相關(guān)作用，增強(qiáng)了表皮生長(zhǎng)因子受體(EGFR)、等重要癌基因的mRNA翻譯，促進(jìn)了癌細(xì)胞的生長(zhǎng)，雖然在此研究中并未發(fā)現(xiàn)m6A修飾的直接作用，但它可能以其他某種方式參與了該過程，具體還有待人們進(jìn)行深入研究[31]。此外在成年哺乳動(dòng)物的神經(jīng)系統(tǒng)中，甲基化轉(zhuǎn)移酶和RNA結(jié)合蛋白的缺失能夠抑制因損傷引起的蛋白翻譯過程，從而降低外周神經(jīng)系統(tǒng)的軸突再生功能[11]。

2.5 m6A影響mRNA的穩(wěn)定性

mRNA降解是mRNA代謝過程中的最后一步，RNA結(jié)合蛋白是第一個(gè)證明了m6A修飾參與mRNA降解的蛋白。該蛋白具有雙結(jié)構(gòu)域，羧基末端YTH結(jié)構(gòu)域可選擇性的與發(fā)生甲基化的mRNA結(jié)合，而其氨基末端的功能結(jié)構(gòu)域?qū)⒔Y(jié)合了的mRNA傳遞到細(xì)胞質(zhì)中，通過招募-去腺苷酸復(fù)合物從而使mRNA發(fā)生降解[32,33]。研究發(fā)現(xiàn)，降低斑馬魚胚胎中的表達(dá)，可以減弱發(fā)生m6A修飾的mRNA的降解能力，導(dǎo)致合子基因組的激活受阻，細(xì)胞周期暫停，影響正常發(fā)育[23]。

3 m6A修飾在中樞神經(jīng)系統(tǒng)及疾病中的生物學(xué)作用

中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system, CNS)是機(jī)體神經(jīng)系統(tǒng)中的重要組成部分，包括腦和脊髓，作用是接收傳入機(jī)體的信息，并進(jìn)行整合、存儲(chǔ)、加工，中樞神經(jīng)系統(tǒng)是機(jī)體學(xué)習(xí)和記憶的重要基礎(chǔ)。近年來，眾多研究表明m6A修飾在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中豐富存在，由RNA結(jié)合蛋白介導(dǎo)的m6A修飾調(diào)控各種神經(jīng)傳導(dǎo)通路的激活，對(duì)神經(jīng)元的發(fā)育、分化和再生均發(fā)揮著不可替代的作用，m6A修飾的改變對(duì)機(jī)體腦組織的發(fā)育、學(xué)習(xí)記憶能力、干細(xì)胞的更新和分化、突觸再生等生物學(xué)功能有重要影響(圖1)。

圖1 m6A修飾在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的作用

3.1 m6A修飾影響腦的發(fā)育及其功能

m6A修飾參與機(jī)體的多種生命活動(dòng)，與生物學(xué)功能密切相關(guān)。已有研究發(fā)現(xiàn)，在大腦的成熟過程中，可檢測(cè)到m6A甲基化水平的上調(diào)，表明大腦中RNA的m6A修飾與腦組織的發(fā)育和功能具有重要的聯(lián)系[11]。研究發(fā)現(xiàn)在不同腦區(qū)以及不同類型的神經(jīng)細(xì)胞中，m6A修飾水平均不相同，常見甲基化mRNAs的m6A修飾水平顯著高于特異性甲基化mRNAs的m6A修飾水平，小鼠小腦的m6A修飾水平高于大腦皮層，神經(jīng)元中RNA的m6A修飾水平高于膠質(zhì)細(xì)胞，這些結(jié)果均證明m6A修飾具有區(qū)域特異性和異質(zhì)性，不同靶mRNA、不同的甲基化位點(diǎn)以及不同的甲基化水平都會(huì)對(duì)腦組織的生物學(xué)功能產(chǎn)生影響[34]。研究表明，缺失可促使大腦皮層中的神經(jīng)干細(xì)胞發(fā)生不對(duì)稱分裂，使神經(jīng)前體細(xì)胞數(shù)量減少，最終分化成熟的神經(jīng)元數(shù)量明顯低于正常發(fā)育的腦組織中的成熟神經(jīng)元數(shù)量，導(dǎo)致大腦皮層發(fā)育緩慢且伴隨功能異常[35]。

介導(dǎo)的m6A修飾在哺乳動(dòng)物小腦的發(fā)育和功能中也發(fā)揮著不可替代的作用，將小鼠大腦中的基因條件性敲除后，m6A修飾水平失調(diào)，導(dǎo)致小腦中促凋亡相關(guān)基因、、的mRNA半衰期延長(zhǎng)，剪接過程出現(xiàn)異常，蛋白表達(dá)障礙，最終引起小腦發(fā)育不全[10]。綜上所述，m6A修飾經(jīng)多種調(diào)控機(jī)制影響著腦組織的生長(zhǎng)發(fā)育和生物功能。m6A甲基化轉(zhuǎn)移酶、去甲基化轉(zhuǎn)移酶以及RNA結(jié)合蛋白的表達(dá)異常，都將導(dǎo)致大腦神經(jīng)細(xì)胞發(fā)育遲緩，神經(jīng)元再生障礙，最終導(dǎo)致腦組織發(fā)育異常。

3.2 m6A修飾可增強(qiáng)記憶能力

學(xué)習(xí)和記憶是大腦的重要功能之一，記憶力的形成需要由基因表達(dá)和蛋白質(zhì)合成共同協(xié)作完成。已有研究發(fā)現(xiàn)，m6A修飾水平的改變與記憶的形成相關(guān)。例如，研究者利用Cre/LoxP系統(tǒng)在小鼠大腦的皮層和海馬區(qū)中特異性敲除甲基化轉(zhuǎn)移酶，發(fā)現(xiàn)可通過調(diào)控m6A修飾影響蛋白的翻譯過程，導(dǎo)致蛋白分泌不足，記憶鞏固能力降低。給予一定訓(xùn)練后記憶能力可恢復(fù)，而過表達(dá)發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期記憶能力顯著增強(qiáng)，證明m6A修飾直接影響長(zhǎng)期記憶力形成，并且個(gè)體的記憶差異經(jīng)反復(fù)學(xué)習(xí)可得到補(bǔ)償。綜上所述，m6A修飾通過影響蛋白質(zhì)的合成直接參與調(diào)控長(zhǎng)期記憶力的形成[36]。

記憶力的形成還受到m6A結(jié)合蛋白的影響[14]。在成年小鼠海馬中，m6A修飾與結(jié)合蛋白結(jié)合，促進(jìn)成年小鼠海馬神經(jīng)元刺激下的靶mRNA的翻譯，增強(qiáng)海馬依賴的學(xué)習(xí)與記憶能力。敲除基因可導(dǎo)致突觸傳遞受損，小鼠學(xué)習(xí)記憶功能產(chǎn)生缺陷，使再表達(dá)后，則可以修復(fù)突觸功能的缺陷。

具有抑制記憶力形成的作用，在大腦中高度富集。在小鼠海馬神經(jīng)元中的細(xì)胞核、樹突等位置均可檢測(cè)到的表達(dá)。是一種與突觸定位相關(guān)的基因，能夠抑制的表達(dá)。在外界條件刺激下，降低海馬背側(cè)的表達(dá)可提高基因mRNA的轉(zhuǎn)錄，提高的蛋白水平，顯著增強(qiáng)小鼠的記憶力，表明能夠抑制記憶力形成，進(jìn)一步證實(shí)了m6A修飾與記憶力形成的相關(guān)性，提示m6A可能是參與記憶力形成的新型調(diào)控因子[13]。

3.3 m6A調(diào)控神經(jīng)干細(xì)胞的自我更新和分化

對(duì)小鼠和人類胚胎干細(xì)胞中m6A修飾進(jìn)行定位，發(fā)現(xiàn)m6A修飾在進(jìn)化過程中呈現(xiàn)高度保守性和穩(wěn)定性[37]。m6A在眾多mRNA和長(zhǎng)鏈非編碼RNA確定的基序上富集，通過標(biāo)記不穩(wěn)定的轉(zhuǎn)錄本而發(fā)揮其功能。例如甲基化轉(zhuǎn)移酶基因的敲除或失活將導(dǎo)致m6A修飾水平降低，分化時(shí)影響基因的表達(dá)，使ESC從自我更新向分化的過程中受損。

研究發(fā)現(xiàn)，在小鼠胚胎的神經(jīng)干細(xì)胞(neural stem cell, NSCs)中，利用Cre/loxp系統(tǒng)特異性敲除甲基化轉(zhuǎn)移酶，并觀察細(xì)胞表型，可發(fā)現(xiàn)NSCs增殖能力降低，細(xì)胞分化提前，證明m6A可能具有增強(qiáng)NSCs自我更新的能力[38]。組蛋白修飾是NSCs基因表達(dá)和活性變化的重要基礎(chǔ)。該研究還發(fā)現(xiàn)缺失能夠增強(qiáng)組蛋白和的mRNA穩(wěn)定性，導(dǎo)致表達(dá)水平升高，NSCs中特異性組蛋白修飾水平增加。綜上所述，m6A修飾能通過改變組蛋白mRNA的穩(wěn)定性來調(diào)控組蛋白修飾，促進(jìn)NSCs增殖，使其正常分化，以保障NSCs細(xì)胞庫的儲(chǔ)備。這種新型的基因調(diào)控機(jī)制在細(xì)胞生命活動(dòng)中發(fā)揮著重要作用，將有助于研究神經(jīng)系統(tǒng)疾病的干細(xì)胞治療和基因靶向治療。

通過影響m6A修飾調(diào)控mESC的自我更新過程[12]。在小鼠胚胎干細(xì)胞(embryonic stem cell, ESCs)敲除基因后，mRNA中整體m6A水平顯著下降，、和從細(xì)胞核轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)中，mESC的自我更新受阻且提前進(jìn)行分化。證明通過將--復(fù)合物準(zhǔn)確定位到核內(nèi)，來促進(jìn)m6A甲基化反應(yīng)，繼而調(diào)控mESC的自我更新。

作為m6A去甲基化轉(zhuǎn)移酶，能夠動(dòng)態(tài)調(diào)控神經(jīng)干細(xì)胞的增殖和分化[39]。最新研究發(fā)現(xiàn)，的缺失可導(dǎo)致STAT3通路中關(guān)鍵調(diào)控因子的表達(dá)增加和的表達(dá)減少，繼而引起STAT3通路的過度激活，最終導(dǎo)致成體神經(jīng)干細(xì)胞的增殖和神經(jīng)元分化異常，影響神經(jīng)發(fā)生過程。此外，的缺失還能抑制因子表達(dá)，控制神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的加工過程，從而引起下丘腦–垂體–腎上腺軸(thehypothalamic–pituitary–adrenal axis, HPA)通路異常激活，最終導(dǎo)致小鼠神經(jīng)元分化異常，應(yīng)激水平升高現(xiàn)象，影響機(jī)體的認(rèn)知功能[40]。

3.4 m6A調(diào)控軸突再生

突觸能夠?qū)?shù)十億個(gè)神經(jīng)元連接到功能性神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)回路中，通過改變傳遞效率來影響神經(jīng)元活動(dòng)，是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和腦功能的基本特征[41]。在哺乳動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)受損時(shí)，m6A修飾參與調(diào)控蛋白合成和軸突再生。例如坐骨神經(jīng)受損，小鼠背根神經(jīng)節(jié)(dorsal root ganglion, DRG)中許多m6A修飾的再生相關(guān)基因的mRNA水平提高，促進(jìn)蛋白質(zhì)合成。若敲低DRGs中的或RNA結(jié)合蛋白，將抑制再生相關(guān)基因的蛋白翻譯過程，并降低體內(nèi)神經(jīng)系統(tǒng)的軸突再生功能。此外，在成熟中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，介導(dǎo)的m6A修飾能夠調(diào)控抑癌基因的表達(dá)，影響視網(wǎng)膜神經(jīng)元軸再生能力[11]。另有研究揭示了神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞在信息傳導(dǎo)和調(diào)控突觸產(chǎn)生過程中的重要作用，發(fā)現(xiàn)了由突觸前末梢、突觸后末梢和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞構(gòu)成的三突觸[42]。在三突觸中可檢測(cè)到豐富的突觸定位轉(zhuǎn)錄組，它具有促進(jìn)突觸局部蛋白合成的重要功能，突觸局部蛋白在維持神經(jīng)元的持續(xù)性活動(dòng)中發(fā)揮了重要作用，研究認(rèn)為局部翻譯失調(diào)是神經(jīng)發(fā)育與神經(jīng)精神疾病的重要病理機(jī)制[43,44]。在突觸定位轉(zhuǎn)錄組中存在著m6A修飾，m6A選擇性修飾三突觸所有細(xì)胞內(nèi)的不同轉(zhuǎn)錄本，甲基化轉(zhuǎn)移酶介導(dǎo)的m6A修飾能夠改變mRNA的轉(zhuǎn)化率，調(diào)節(jié)突觸RNA的翻譯過程。此外通過敲除RNA結(jié)合蛋白和，抑制突觸定位轉(zhuǎn)錄組成員的mRNA翻譯過程，將會(huì)引發(fā)神經(jīng)元形態(tài)異常、突觸傳遞減弱的現(xiàn)象[15]。綜上所述，m6A可通過調(diào)控mRNA來控制翻譯過程，繼而影響突觸功能，引起神經(jīng)系統(tǒng)異常。

3.5 m6A在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)生發(fā)展中的作用

大腦中m6A修飾水平的改變會(huì)對(duì)大腦的發(fā)育及正常神經(jīng)細(xì)胞的功能產(chǎn)生影響，在中樞系統(tǒng)相關(guān)疾病中，m6A修飾改變引起的神經(jīng)系統(tǒng)重要功能異常是許多神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)生的潛在原因。

阿爾茨海默疾癥(Alzheimer's disease, AD)作為最典型的神經(jīng)退行性疾病之一，是最常見的癡呆類型。AD的經(jīng)典病理學(xué)特征為老年斑和神經(jīng)纖維纏結(jié)，患者表現(xiàn)出明顯的認(rèn)知功能障礙及記憶力損傷[45~47]。作為m6A去甲基化轉(zhuǎn)移酶在神經(jīng)疾病中是一種新興因子，早有研究發(fā)現(xiàn)基因中的單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism, SNP)參與多種神經(jīng)疾病的發(fā)生和發(fā)展，近年研究陸續(xù)證明了參與大腦發(fā)育和神經(jīng)發(fā)生等多個(gè)神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)的生物學(xué)過程[48]。蛋白過度磷酸化形成的神經(jīng)纖維纏結(jié)是AD的典型病理特征之一。研究者構(gòu)建了具有神經(jīng)特異性敲除的3xTg-AD小鼠，并在3xTg-AD小鼠腦組織中檢測(cè)到的mRNA水平及蛋白水平顯著升高，將3 xTg-AD小鼠神經(jīng)元中敲除導(dǎo)致的總水平和磷酸化水平上調(diào)，降低了mTOR信號(hào)的激活。以上結(jié)果表明能通過增加mTOR上游抑制劑的mRNA水平來激活mTOR信號(hào)通路，促進(jìn)蛋白磷酸化，進(jìn)而推動(dòng)AD疾病的發(fā)展[49]。最新研究提出了另一種相反觀點(diǎn)，對(duì)比APP/PS1轉(zhuǎn)基因小鼠和對(duì)照組C57BL/6小鼠RNA上m6A甲基化水平，發(fā)現(xiàn)APP/PS1轉(zhuǎn)基因小鼠的皮質(zhì)和海馬中m6A甲基化更高，而且在AD小鼠中，m6A甲基化轉(zhuǎn)移酶的表達(dá)升高，而m6A去甲基化轉(zhuǎn)移酶的表達(dá)降低，并分析突觸、神經(jīng)元發(fā)育和生長(zhǎng)有關(guān)的途徑，提出m6A可能對(duì)AD的疾病發(fā)展起推動(dòng)作用[50]。雖然還不能確定m6A修飾對(duì)AD的影響，但是目前的研究結(jié)果有助于我們探尋AD病理機(jī)制和選擇治療靶點(diǎn)。

帕金森癥(Parkinson's disease, PD)也是一種常見的神經(jīng)退行性疾病，發(fā)病病因尚不明確，主要表現(xiàn)為靜止性震顫、運(yùn)動(dòng)遲緩、肌強(qiáng)直和姿勢(shì)平衡障礙，主要病理改變?yōu)橹心X黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的變性死亡和路易小體形成，從而引起紋狀體多巴胺含量減少、多巴胺與乙酰膽堿遞質(zhì)失衡。有研究發(fā)現(xiàn)，在神經(jīng)毒素6-羥基多巴胺(6-OHDA)誘導(dǎo)的PC12細(xì)胞和PD大鼠腦紋狀體中檢測(cè)到m6A修飾水平降低，在多巴胺能神經(jīng)元內(nèi)過表達(dá)甲基化轉(zhuǎn)移酶或利用m6A抑制劑降低m6A修飾水平，能夠誘導(dǎo)受體的表達(dá)，促進(jìn)氧化應(yīng)激和Ca2+內(nèi)流，導(dǎo)致多巴胺能神經(jīng)元凋亡，結(jié)果表明介導(dǎo)的m6A修飾通過調(diào)控的表達(dá)影響多巴胺能神經(jīng)元細(xì)胞發(fā)育，因此提示我們?cè)赑D的疾病進(jìn)程可能發(fā)揮重要作用[51]。

脆性X染色體綜合征(fragile X syndrome, FXS)是由于脆性X智力低下蛋白()功能異常引起的一種X連鎖不完全外顯性遺傳的單基因病。是一種由基因編碼的RNA結(jié)合蛋白，在大腦神經(jīng)元中高度表達(dá)，可調(diào)節(jié)突觸相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄翻譯。研究發(fā)現(xiàn)，能夠與其mRNA上的m6A位點(diǎn)結(jié)合，維持mRNA的穩(wěn)定性。而且還以非RNA的方式與相互作用，表明可能與共同調(diào)節(jié)m6A修飾介導(dǎo)的mRNA穩(wěn)定性[52]。和m6A修飾的關(guān)系為尋找FXS的治病機(jī)制和治療靶點(diǎn)提供了新的思路。

抑郁癥(major depressive disorder, MDD)是一種多因素精神類疾病，病因及發(fā)病機(jī)制尚不清楚，臨床表現(xiàn)為情緒低落、缺乏興趣、食欲不佳和睡眠質(zhì)量差等。已有研究結(jié)果表明基因與MDD的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)，且對(duì)漢族人群的m6A修飾基因與MDD的相關(guān)性進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，顯示m6A修飾很有可能影響MDD的發(fā)病機(jī)制[53]。最新研究發(fā)現(xiàn)，在星形膠質(zhì)細(xì)胞中過表達(dá)環(huán)狀RNA STAG1 (circular RNA STAG1, circSTAG1)可抑制向細(xì)胞核中轉(zhuǎn)運(yùn)，降低基因mRNA的m6A修飾水平，導(dǎo)致降解，從而顯著減輕星形細(xì)胞功能障礙和抑郁行為[54]。介導(dǎo)的m6A修飾與circSTAG1之間的聯(lián)系很有可能成為治療MDD的新靶點(diǎn)。

膠質(zhì)母細(xì)胞瘤(glioblastoma multiforme, GBM)是一種星形細(xì)胞腫瘤中惡性程度最高的膠質(zhì)瘤，具有很強(qiáng)侵襲性和致死性。mRNA水平的調(diào)節(jié)影響腫瘤的多個(gè)方面，包括生長(zhǎng)、膠質(zhì)瘤干細(xì)胞自我更新和腫瘤發(fā)生。近年來有部分研究表明，在膠質(zhì)瘤干細(xì)胞(glioma stem cells, GSC)中敲除、降低了m6A修飾水平，能夠增強(qiáng)GSC的增殖能力，促進(jìn)腫瘤生長(zhǎng)。叉頭框蛋白質(zhì)M1 (forkhead box protein M1,)是一種在細(xì)胞周期調(diào)節(jié)、自我更新和腫瘤發(fā)生中起關(guān)鍵作用的轉(zhuǎn)錄因子。研究發(fā)現(xiàn)，缺失可以使的mRNA發(fā)生過度甲基化，導(dǎo)致的mRNA水平和蛋白水平顯著降低，抑制了GSC的增殖能力和致瘤性，表明在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中起積極調(diào)節(jié)的作用。因此猜測(cè)m6A修飾可能成為膠質(zhì)母細(xì)胞瘤治療的靶點(diǎn)，但也有研究證明m6A修飾在GSC中水平升高，在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中起致癌作用，因此m6A修飾對(duì)GSC的影響還存在爭(zhēng)議。

4 結(jié)語與展望

m6A作為RNA修飾中豐度最高的修飾，在調(diào)控基因表達(dá)、細(xì)胞命運(yùn)和維護(hù)中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能中發(fā)揮重要的作用。m6A修飾水平由甲基化轉(zhuǎn)移酶和去甲基化轉(zhuǎn)移酶共同調(diào)節(jié)，在RNA結(jié)合蛋白的作用下影響著RNA的代謝過程。m6A修飾在腦組織中的豐度比其他組織中高，說明m6A修飾在大腦的正常功能以及神經(jīng)發(fā)育的不同階段均起著至關(guān)重要的作用，在維護(hù)神經(jīng)系統(tǒng)正常的功能中也扮演重要角色。首先m6A修飾水平失衡及其關(guān)鍵酶表達(dá)水平的異常將導(dǎo)致大腦皮層和小腦發(fā)育缺陷。其次在胚胎神經(jīng)發(fā)生、干細(xì)胞更新和分化的過程也需要m6A修飾的精確調(diào)控。m6A修飾還影響著機(jī)體記憶力的形成、長(zhǎng)期記憶力的鞏固以及學(xué)習(xí)能力，當(dāng)、等關(guān)鍵調(diào)控蛋白表達(dá)異常時(shí)，將引起記憶功能的改變。m6A修飾在神經(jīng)損傷誘導(dǎo)的軸再生過程中也是不可或缺的重要一環(huán)，m6A修飾能夠促進(jìn)損傷后局部蛋白翻譯，提高軸再生相關(guān)的蛋白質(zhì)水平，影響突觸功能?？偟膩碚f，m6A修飾對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的影響是毋庸置疑的，但是其中的調(diào)控作用機(jī)制還需要進(jìn)一步探索。

m6A修飾不僅與記憶功能、神經(jīng)再生、神經(jīng)元的突觸功能直接相關(guān)，還能影響神經(jīng)元凋亡、細(xì)胞增殖和分化，這些都是阿爾茨海默癥、帕金森等神經(jīng)疾病中至關(guān)重要的表現(xiàn)及功能變化。由此猜測(cè)，m6A在神經(jīng)疾病進(jìn)程中必將扮演著重要角色，很有可能成為研究神經(jīng)疾病治療機(jī)制的突破點(diǎn)。所以揭示m6A及其關(guān)鍵酶在神經(jīng)疾病中的作用至關(guān)重要。

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，除了現(xiàn)有用于檢測(cè)m6A的技術(shù)如ChIP-seq、PAR-CLIP、MeRIP-seq外，還逐漸涌現(xiàn)出一些研究單個(gè)m6A的技術(shù)[55]。目前已有研究成功構(gòu)建了基于dCas13b的特定讀碼器，主要用來研究特定的內(nèi)源性單鏈RNA的調(diào)控功能[56]。此外為了研究單個(gè)m6A修飾的作用，研究者開發(fā)出了m6A修飾編輯器[57]。該編輯器是利用CRISPR- Cas9分別與m6A甲基轉(zhuǎn)移酶融合物、去甲基化轉(zhuǎn)移酶(或)結(jié)合，從而對(duì)RNA的特定位點(diǎn)進(jìn)行m6A的安裝和去除，在不改變主序列的前提下改變RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)。最新研究中，研究者還構(gòu)建出了更為高效精準(zhǔn)的編輯器：TRM編輯器，該編輯器以CRISPR-Cas13為基礎(chǔ)，利用融合蛋白和向?qū)NA，構(gòu)建出dCas13-M3nls和dCas13-M3M14nes兩種TRM編輯器，在大腸桿菌中實(shí)現(xiàn)高效率、低脫靶的RNA編輯[58]。并且在HEK293T細(xì)胞中利用TRM編輯器發(fā)現(xiàn)在基因mRNA的A1216位點(diǎn)發(fā)生m6A修飾，能夠降低mRNA的水平，有助于研究m6A修飾水平對(duì)mRNA豐度的調(diào)控作用以及 mRNA轉(zhuǎn)錄本中特定位點(diǎn)的m6A修飾對(duì)RNA剪接的調(diào)控過程。m6A的修飾可以在組學(xué)測(cè)序及m6A芯片的幫助之下進(jìn)行表達(dá)譜層面的分析，預(yù)測(cè)及驗(yàn)證m6A修飾改變?cè)诩膊』蛏锕δ苤械淖饔?。此外隨著技術(shù)的進(jìn)步，各種精準(zhǔn)編輯RNA特定位點(diǎn)的m6A編輯修飾工具將陸續(xù)被研發(fā)出來，最終實(shí)現(xiàn)單一RNA特定位點(diǎn)m6A修飾改變，并研究其對(duì)基因功能及生物功能的影響。m6A修飾的功能研究將更加的精準(zhǔn)，其在大腦中的功能也將陸續(xù)被揭示出來。

關(guān)于m6A修飾的功能研究還有一些問題有待解決，例如在特定mRNA亞型上的不同位點(diǎn)發(fā)生的m6A修飾，它的調(diào)控功能是否有差異；RNA結(jié)合蛋白與不同位點(diǎn)的m6A結(jié)合是否會(huì)影響RNA命運(yùn)；甲基化轉(zhuǎn)移酶、去甲基化轉(zhuǎn)移酶和閱讀蛋白之間是否存在某種作用方式；它們相互之間是否存在協(xié)調(diào)或拮抗的作用，在機(jī)體正常生理情況下和異常情況下，作用方式是否發(fā)生改變。這些問題等待著人們?nèi)ミM(jìn)行解析。也許這些工作的揭示會(huì)幫助研究者對(duì)復(fù)雜的大腦功能與疾病的機(jī)制進(jìn)行進(jìn)一步的探索。

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The effects of m6A modification in central nervous system function and disease

Jiabin Shi1,2,3, Dayong Wang1,2,3, Qing Xia1,2,3, Xu Gao1,2,3

6-methyladenosine (m6A) is an important RNA modification, which is highly active in brain tissues, participates in global intracellular mRNA metabolism, and regulates gene expression and a variety of biological processes. Stable m6A modification contributes to the normal embryonic brain development and memory formation and plays an important role in maintaining the functions of the central nervous system. However, changes in the level of m6A modification and the expression of its related proteins cause abnormal nervous system functions, including brain tissue development retardation, axon regeneration disorders, memory changes, and stem cell renewal and differentiation disorders. Recent studies have also found that m6A modification and its related proteins play key roles in the development of various nervous system diseases, such as Alzheimer's disease, Parkinson's disease, fragile X-chromosome syndrome, depression and glioblastoma. In this review, we summarize the research progresses of m6A modification regulation mechanism in the central nervous system in recent years, and discusses the effects of gene expression regulation mediated by m6A modification on the biological functions of the central nervous system and related diseases, thereby providing some insights on the new research targets and treatment directions for the central nervous system diseases.

6-methyladenosine (m6A); central nervous system; stem cell; synapse; memory

2020-07-21;

2020-10-21

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：81701078，81773165)，黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：QC2017090)，黑龍江省普通本科高等學(xué)校青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：UNPYSCT-2016190)，中國(guó)博士后科學(xué)基金(面上資助)項(xiàng)目(編號(hào)：2016M600261)，中國(guó)博士后科學(xué)基金(特別資助)項(xiàng)目(編號(hào)：2018T110317)，哈爾濱醫(yī)科大學(xué)校創(chuàng)新科學(xué)研究資助項(xiàng)目(編號(hào)：2016JCZX37)和黑龍江省博士后經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(編號(hào)：LBH-Z15163)資助[Supported by the National Natural Science Foundation of China (Nos. 81701078,81773165), Natural Science Foundation of Heilongjiang Province of China (No. QC2017090), the University Nursing Program for Young Scholars with Creative Talents in Heilongjiang Province (No. UNPYSCT-2016190), China Postdoctoral Science Foundation (Nos. 2016M600261, 2018T110317), the Innovative Science Research Project of Harbin Medical University (No. 2016JCZX37), and Heilongjiang Postdoctoral Financial Assistance (No. LBH-Z15163)]

史佳賓，在讀碩士研究生，專業(yè)方向：阿爾茨海默的疾病機(jī)制及治療研究。E-mail: shijiabin950314@163.com

高旭，博士，教授，研究方向：遺傳改變模式動(dòng)物的建立及復(fù)雜疾病機(jī)制研究，抗體藥物發(fā)現(xiàn)。E-mail: gaoxu_671227@163.com

10.16288/j.yczz.20-233

2020/10/29 9:53:26

URI: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1913.r.20201028.1052.003.html

(責(zé)任編委: 王曉群)