m6A RNA甲基化對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育及其相關(guān)疾病的調(diào)控作用

程文櫟, 張文娟

(暨南大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與公共衛(wèi)生學(xué)院， 廣東 廣州 510632)

目前生物體內(nèi)已鑒定出100多種類型的RNA化學(xué)修飾，N6-甲基腺苷(N6-methyladenosine, m6A)是真核生物中信使RNA和非編碼RNA最普遍且可逆的修飾類型。1974年Desrosiers等[1]從Novikoff肝癌細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)mRNA甲基化，首次提出m6A修飾概念。分析化學(xué)和高通量測(cè)序使得m6A修飾研究快速發(fā)展，m6A甲基化可能參與調(diào)控神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育及其相關(guān)疾患的發(fā)生發(fā)展。本文基于m6A甲基化介導(dǎo)的神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過(guò)程及其神經(jīng)退行性疾病進(jìn)行探討，并為外源因素與其關(guān)聯(lián)性提供新的研究視角。

1 m6A RNA甲基化普遍調(diào)控機(jī)制

m6A甲基化是RNA分子水平的表觀遺傳學(xué)修飾，由RNA甲基轉(zhuǎn)移酶催化腺嘌呤在N6位置發(fā)生甲基化，主要存在于mRNA的蛋白質(zhì)編碼區(qū)和3’端非翻譯區(qū)[2]，在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控RNA穩(wěn)定性、定位、運(yùn)輸、剪切和翻譯，并影響mRNA分子的表達(dá)水平，進(jìn)而影響機(jī)體結(jié)構(gòu)和功能改變[3]。長(zhǎng)鏈非編碼RNA及微小RNA等也存在m6A修飾位點(diǎn)[4-5]。

RNA甲基化需要RNA甲基轉(zhuǎn)移酶、去甲基化酶及其結(jié)合蛋白的聯(lián)合調(diào)控。m6A RNA甲基轉(zhuǎn)移酶促進(jìn)RNA中m6A甲基化修飾[6-7]，最常見的有甲基轉(zhuǎn)移酶樣蛋白3(methyltransferase like 3, METTL3)和甲基轉(zhuǎn)移酶樣蛋白14(methyltransferase like 14，METTL14)。WT1相關(guān)蛋白(wilms tumor 1 associated protein，WTAP)是甲基轉(zhuǎn)移酶復(fù)合體中的另一關(guān)鍵組分，共同促使m6A的RNA甲基化[8]。RNA去甲基化酶可消除RNA的m6A修飾，使其動(dòng)態(tài)變化且可逆[9]，常見的RNA去甲基化酶有肥胖相關(guān)蛋白(fat mass and obesity-associated protein，F(xiàn)TO)和α-酮戊二酸依賴性雙加氧酶AlkB同源蛋白5(AlkB homolog 5，ALKBH5)[10-11]。RNA甲基化結(jié)合蛋白能“閱讀”m6A介導(dǎo)的生物學(xué)過(guò)程，影響RNA行使功能，常見有YTH結(jié)構(gòu)域家族蛋白1/2(YTH domain-containing family protein 1/2，YTHDF1/2)[12]及新近發(fā)現(xiàn)的脆性X智力低下蛋白(fragile X mental retardation protein，F(xiàn)MRP)[13]和PRRC2A蛋白(proline rich coiled-coil 2A)[14]。m6A RNA甲基化分子作用機(jī)制如圖1所示。

圖1 m6A RNA甲基化分子機(jī)制示意圖

2 m6A RNA甲基化對(duì)腦發(fā)育和功能的調(diào)控作用

2.1 m6A甲基化與神經(jīng)細(xì)胞發(fā)育

m6A甲基化影響神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育，在神經(jīng)干細(xì)胞-神經(jīng)前體細(xì)胞-神經(jīng)元的整個(gè)過(guò)程中發(fā)揮重要作用。

在神經(jīng)干細(xì)胞發(fā)育階段，RNA甲基轉(zhuǎn)移酶METTL14、去甲基化酶FTO及結(jié)合蛋白FMRP、YTHDF2參與神經(jīng)干細(xì)胞的增殖分化。METTL14通過(guò)介導(dǎo)m6A甲基化動(dòng)態(tài)調(diào)控組蛋白修飾，影響神經(jīng)干細(xì)胞增殖和分化相關(guān)基因的表達(dá)[15]。FTO則通過(guò)介導(dǎo)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3, STAT3)信號(hào)傳導(dǎo)通路中關(guān)鍵調(diào)控因子的m6A甲基化修飾，調(diào)控神經(jīng)干細(xì)胞的增殖和分化[16]。FMRP是新發(fā)現(xiàn)的m6A甲基化結(jié)合蛋白，由Fmr1基因編碼，其突變會(huì)導(dǎo)致脆性X染色體綜合征[13]。FMRP識(shí)別最佳密碼子mRNA、促進(jìn)RNA的細(xì)胞核輸出功能，提高mRNA穩(wěn)定性，維持神經(jīng)干細(xì)胞的正常增殖分化[17]。在誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞中，YTHDF2通過(guò)抑制神經(jīng)分化相關(guān)轉(zhuǎn)錄，抑制干細(xì)胞分化為神經(jīng)前體細(xì)胞[18-19]。

從神經(jīng)前體細(xì)胞發(fā)育到神經(jīng)元過(guò)程中，m6A均發(fā)揮調(diào)控作用。METTL3/14 RNA甲基轉(zhuǎn)移酶復(fù)合體以及YTHDF2是控制大腦皮質(zhì)神經(jīng)發(fā)生的必需組分。皮質(zhì)神經(jīng)干細(xì)胞METTL3或METTL14缺失會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)前體細(xì)胞周期延長(zhǎng)和分化提前[20-21]。YTHDF2缺失引起神經(jīng)前體細(xì)胞增殖減少，造成神經(jīng)前體細(xì)胞向神經(jīng)元方向分化，而不分化為膠質(zhì)細(xì)胞，且分化出的神經(jīng)元不能產(chǎn)生正常的神經(jīng)突[22]。因此，YTHDF2在大腦發(fā)育過(guò)程中可能呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化特征，發(fā)育初期降低促進(jìn)干細(xì)胞分化為神經(jīng)前體細(xì)胞，后期升高促進(jìn)神經(jīng)前體細(xì)胞的正常增殖和分化。

在神經(jīng)元階段，METTL3、FTO通過(guò)介導(dǎo)m6A修飾調(diào)控神經(jīng)元凋亡影響腦部發(fā)育。METTL3缺失引起m6A修飾水平下降，小腦中促凋亡相關(guān)基因mRNA的半衰期延長(zhǎng)及剪接異常，可造成外部顆粒層新生小腦顆粒細(xì)胞凋亡急劇增加，引起小腦發(fā)育不良[23]。FTO缺失抑制腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(brain derived neurotrophic factor，BDNF)信號(hào)傳導(dǎo)通路，抗凋亡相關(guān)基因表達(dá)降低，大腦神經(jīng)元凋亡增加，數(shù)量減少及大腦體積縮小[24]。

m6A甲基化修飾調(diào)控神經(jīng)發(fā)育的全過(guò)程。在神經(jīng)干細(xì)胞發(fā)育階段，METTL14、FTO及FMRP、YTHDF2調(diào)控神經(jīng)干細(xì)胞的增殖分化及神經(jīng)前體細(xì)胞的形成，進(jìn)而RNA甲基轉(zhuǎn)移酶復(fù)合體METTL3/14及YTHDF2調(diào)控神經(jīng)前體細(xì)胞周期及神經(jīng)元分化。在神經(jīng)元階段，METTL3和FTO調(diào)控神經(jīng)元凋亡過(guò)程，而影響腦部發(fā)育。

上述m6A甲基化修飾關(guān)鍵酶類及結(jié)合蛋白表達(dá)的改變將會(huì)引起神經(jīng)發(fā)育異常，如圖2所示。

圖2 m6A甲基化造成神經(jīng)發(fā)育異常的分子機(jī)制示意圖

2.2 m6A甲基化與神經(jīng)傳導(dǎo)

神經(jīng)元通過(guò)細(xì)胞體擴(kuò)張形成樹突和軸突，接受刺激，產(chǎn)生并傳導(dǎo)興奮。少突膠質(zhì)細(xì)胞包繞軸突形成髓鞘結(jié)構(gòu)，協(xié)助信號(hào)傳遞。m6A甲基化通過(guò)調(diào)控神經(jīng)元軸突生長(zhǎng)、傳導(dǎo)和少突膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)育、髓鞘化影響神經(jīng)傳導(dǎo)功能。

在軸突生長(zhǎng)及傳導(dǎo)中，軸突生長(zhǎng)相關(guān)蛋白-43(growth associated protein 43, GAP- 43)發(fā)揮重要作用。GAP- 43 mRNA經(jīng)m6A修飾，特異抑制FTO，軸突GAP- 43mRNA局部翻譯減少，最終抑制軸突延長(zhǎng)[25]。中間神經(jīng)元傳遞神經(jīng)的過(guò)程需要其軸突穿過(guò)中線。Robo3.1為軸突導(dǎo)向受體，在中間神經(jīng)元軸突穿過(guò)中線以前高表達(dá)，而在穿過(guò)中線后消失，以完成軸突傳導(dǎo)工作。Robo3.1蛋白質(zhì)的半衰期非常短，其蛋白水平的維持需要持續(xù)性的翻譯。YTHDF1通過(guò)調(diào)控Robo3.1蛋白的合成，控制軸突傳導(dǎo)[26]。

m6A甲基化是少突膠質(zhì)細(xì)胞成熟和中樞神經(jīng)系統(tǒng)髓鞘形成的關(guān)鍵調(diào)控因素。METTL14缺失引起多種參與少突膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)育、髓鞘形成的關(guān)鍵mRNA剪接發(fā)生改變，少突膠質(zhì)前體細(xì)胞無(wú)法正常發(fā)育為成熟的髓鞘形成細(xì)胞，造成郎飛結(jié)病理結(jié)構(gòu)改變[27]。FTO和PRRC2A參與少突膠質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子Olig2蛋白合成，共同調(diào)控少突膠質(zhì)細(xì)胞分化[14]。

2.3 m6A甲基化與神經(jīng)再生

在外周神經(jīng)系統(tǒng)中，成年小鼠背根神經(jīng)節(jié)(dorsal root ganglion, DRG)中，感官神經(jīng)元可重組激活基因合成蛋白質(zhì)，而表現(xiàn)出強(qiáng)大的軸突再生能力[28]。外周神經(jīng)系統(tǒng)軸突損傷會(huì)提高m6A轉(zhuǎn)錄水平。METTL14和YTHDF1參與DRG神經(jīng)元蛋白質(zhì)的合成，是DRG神經(jīng)元軸突再生和功能恢復(fù)的必需組分[29]。此外，在小鼠成熟的中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞損傷后再生也受到m6A甲基化修飾。

2.4 m6A甲基化與學(xué)習(xí)和記憶功能

在長(zhǎng)期記憶的基本介質(zhì)中，立早基因(immediate early gene，IEG)表達(dá)缺陷導(dǎo)致學(xué)習(xí)能力和記憶形成受損[30]。m6A甲基化通過(guò)影響IEG和海馬體神經(jīng)元蛋白質(zhì)合成而影響長(zhǎng)期記憶能力。METTL3及YTHDF1可增強(qiáng)長(zhǎng)期記憶，F(xiàn)TO則抑制記憶力形成。

METTL3可通過(guò)m6A甲基化調(diào)控IEG蛋白翻譯[31]。特異性敲除小鼠METTL3可導(dǎo)致IEG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)，過(guò)表達(dá)METTL3使長(zhǎng)期記憶能力顯著增強(qiáng)，并且個(gè)體的記憶差異可由反復(fù)學(xué)習(xí)得到補(bǔ)償。

FTO、YTHDF1共同作用于海馬體影響學(xué)習(xí)和記憶，F(xiàn)TO表達(dá)降低m6A甲基化水平抑制小鼠海馬神經(jīng)元蛋白質(zhì)合成，YTHDF1表達(dá)提高m6A甲基化水平促進(jìn)小鼠海馬神經(jīng)元蛋白質(zhì)合成，進(jìn)而影響機(jī)體學(xué)習(xí)和記憶功能[32-33]。雖然降低FTO表達(dá)能增強(qiáng)記憶力，但FTO缺失會(huì)抑制海馬體內(nèi)BDNF信號(hào)傳導(dǎo)通路，導(dǎo)致小鼠神經(jīng)元分化異常，影響機(jī)體認(rèn)知功能[34]。

m6A甲基化修飾對(duì)機(jī)體神經(jīng)細(xì)胞發(fā)育、神經(jīng)傳導(dǎo)、神經(jīng)再生及學(xué)習(xí)記憶能力等生物學(xué)功能有重要影響，如表1所示。

表1 m6A甲基化與神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育及功能關(guān)聯(lián)Table 1 Associations between m6A methylation and nervous system

m6A甲基化在神經(jīng)發(fā)育、傳導(dǎo)、再生以及學(xué)習(xí)記憶等功能上發(fā)揮關(guān)鍵作用，但目前相關(guān)證據(jù)均基于高通量測(cè)序及小鼠基因敲除試驗(yàn)的結(jié)果，m6A甲基化關(guān)鍵酶類和結(jié)合蛋白作用較分散，對(duì)于其如何協(xié)作調(diào)控神經(jīng)系統(tǒng)的m6A甲基化修飾過(guò)程尚缺少完整的線索。

3 m6A RNA甲基化與神經(jīng)退行性疾病的關(guān)聯(lián)

m6A甲基化失調(diào)會(huì)引起相應(yīng)的神經(jīng)系統(tǒng)功能紊亂，影響神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)疾患的發(fā)生與進(jìn)展。阿爾茨海默氏癥(Alzheimer’s disease,AD)和帕金森氏癥(Parkinson’s disease, PD)是最常見的神經(jīng)退行性疾病。m6A參與AD關(guān)鍵基因的表達(dá)[35]，在小鼠及人類衰老過(guò)程中，隨年齡增長(zhǎng)，m6A位點(diǎn)明顯增多，且AD小鼠大腦皮層和海馬體中m6A甲基化升高，METTL3表達(dá)升高，F(xiàn)TO表達(dá)降低[36]。海馬體FTO下降，抑制其BDNF信號(hào)通路，這與AD患者認(rèn)知功能障礙的機(jī)制相符。PD與m6A失調(diào)有關(guān)，PD的主要病理變化是中腦黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元變性死亡，引起紋狀體多巴胺含量顯著性減少而致病。m6A減少可誘導(dǎo)N-甲基-d-天冬氨酸受體1(N-methyl-d-aspartate receptor 1,NMDA)表達(dá)，提高氧化應(yīng)激和Ca2+流入，導(dǎo)致多巴胺能神經(jīng)元凋亡[37]。

肌萎縮側(cè)索硬化也是常見的神經(jīng)退行性疾病，按發(fā)病形式可分為家族性和散發(fā)性肌萎縮側(cè)索硬化癥,其中散發(fā)性占大多數(shù)。FTO在運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元中高度表達(dá)。對(duì)希臘散發(fā)性肌萎縮側(cè)索硬化癥患者全基因組測(cè)序分析顯示，F(xiàn)TO基因變異與該病呈正相關(guān)[38]。m6A結(jié)合蛋白hnRNPA2-B1其基因編碼的突變也可能導(dǎo)致肌萎縮側(cè)索硬化癥[39]。

因此，m6A可作為神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)疾病的生物標(biāo)志物及潛在的干預(yù)靶點(diǎn)。m6A修飾水平增加，可加重AD患者認(rèn)知障礙，而降低則加重PD運(yùn)動(dòng)神經(jīng)功能障礙。FTO基因變異則增加肌萎縮側(cè)索硬化的患病風(fēng)險(xiǎn)。

4 外源因素經(jīng)m6A甲基化影響神經(jīng)系統(tǒng)功能

m6A甲基化在神經(jīng)發(fā)育及功能中發(fā)揮重要作用，而環(huán)境中的外源因素能影響m6A修飾的改變，影響RNA甲基化關(guān)鍵酶類的表達(dá)，改變m6A水平，進(jìn)而引起神經(jīng)系統(tǒng)功能改變。

慢性恒定光(chronic constant light，CCL)暴露激活海馬體中調(diào)控機(jī)體生物節(jié)律基因cryptochromes1和cryptochromes2(Cry1/2)表達(dá)，而Cry1/2過(guò)表達(dá)抑制FTO，進(jìn)而抑制BDNF信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，導(dǎo)致海馬神經(jīng)受損，造成小鼠認(rèn)知行為受損[40]。長(zhǎng)時(shí)間CoCl2暴露，會(huì)導(dǎo)致空間學(xué)習(xí)和記憶障礙。人腦神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞H4細(xì)胞暴露于CoCl2，m6A去甲基化酶FTO隨CoCl2水平上升而下降，CoCl2暴露改變與氧化應(yīng)激相關(guān)的mRNA甲基化修飾水平，從而造成神經(jīng)退行性損害[41]。研究表明麻醉劑對(duì)大腦具有毒性作用，可致認(rèn)知功能障礙[42]。七氟醚是臨床最常用的麻醉劑之一。七氟醚麻醉暴露會(huì)引起突觸素RNA甲基化水平隨暴露次數(shù)而降低，YTHDF1顯著下降，影響突觸素蛋白正常合成，造成機(jī)體精細(xì)運(yùn)動(dòng)控制和認(rèn)知能力缺陷[43]。

外源因素引起m6A甲基化改變，可影響神經(jīng)損傷修復(fù)。長(zhǎng)期接觸亞砷酸鹽會(huì)引起多巴胺能神經(jīng)傳遞缺陷，大腦多巴胺含量減少，導(dǎo)致動(dòng)物和人類的認(rèn)知障礙、學(xué)習(xí)缺陷和情緒異常。FTO通過(guò)調(diào)節(jié)多巴胺合成、轉(zhuǎn)運(yùn)和分解及突觸后受體中關(guān)鍵蛋白質(zhì)表達(dá)，緩解亞砷酸鹽引起的多巴胺能神經(jīng)傳遞缺陷[44]。此外，ALKBH5能防止缺氧造成的損害，參與大腦保護(hù)機(jī)制[45]。C57BL/6小鼠敲除ALKBH5基因后，暴露在低壓低氧環(huán)境下，可造成調(diào)控小腦發(fā)育的m6A水平紊亂，加快RNA出核過(guò)程，導(dǎo)致小腦發(fā)育明顯滯后。外源因素可導(dǎo)致m6A改變而影響神經(jīng)系統(tǒng)的功能，其關(guān)聯(lián)性如表2所示。

表2 外源因素誘導(dǎo)的m6A RNA甲基化對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的影響Table 2 Effects of exogenous factors-induced m6A RNA methylation on nervous system

5 小結(jié)

RNA表觀轉(zhuǎn)錄組學(xué)領(lǐng)域迅速發(fā)展，m6A甲基化修飾作為大多數(shù)真核生物mRNA最豐富的修飾之一，其生物學(xué)功能日益受到重視。m6A甲基化修飾在神經(jīng)發(fā)育、傳導(dǎo)、再生以及學(xué)習(xí)記憶功能各方面發(fā)揮重要的作用，并與神經(jīng)退行性疾病密切相關(guān)。目前仍缺乏m6A甲基化修飾在神經(jīng)發(fā)育和退化過(guò)程中詳細(xì)完整的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)；需要尋找m6A甲基化在神經(jīng)系統(tǒng)中的特異作用靶點(diǎn)以及具體的m6A調(diào)控體系；同時(shí)干預(yù)環(huán)境外源因素通過(guò)影響m6A甲基化的修飾調(diào)控神經(jīng)系統(tǒng)功能將是重要的研究方向，為神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)功能的干預(yù)和治療提供新的研究思路。

作者貢獻(xiàn)聲明

程文櫟：文稿主要撰寫人，完成相關(guān)文獻(xiàn)資料收集、分析及論文初稿寫作;張文娟：項(xiàng)目指導(dǎo)及負(fù)責(zé)人，指導(dǎo)論文寫作與修改。

利益沖突聲明

本研究未受到企業(yè)、公司等第三方資助不存在潛在利益沖突。