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mRNAN6甲基腺苷甲基化在神经系统作用的研究进展全文
2020年mRNAN6■甲基腺苜甲基化在神经系统作用的研究进展
(全文)
N6-甲基腺苜(m6A)是目前最常见的真核mRNA甲基化修饰类型之—,在神经系统中广泛存在并参与控制基因表达重要调控机制。
在相关甲基化修饰酶和蛋白的参与下,m6A通过影响mRNA"生命周期”进而在神经系统的生长发育、相关功能、疾病的发生发展等方面发挥着重要作用。
文中将就mRNAm6A甲基化修饰对神经系统疾病以及神经系统生长发育的作用硏究进展做简要综述。
在20世纪70年代初,科学家发现了N6-甲基腺苜(m6A)甲基化修饰存在于mRNA上,是目前最常见和最丰富的真核mRNA甲基化修饰类型之一[1]。
m6A在相关甲基化修饰酶和蛋白参与下可直接或间接影响mRNA降解、翻译和剪接等生物学过程;m6A在小脑、前脑、大脑皮质、神经干细胞、突触等神经系统组织中广泛分布,与神经系统生长发育、相关功能、疾病发生发展等多种情况密切相关。
近年来,许多科学家对mRNAm6A甲基化修饰进行了多方面探索,在神经系统及其相关疾病研究取得了一些进展。
文中从mRNAm6A甲基化修饰与神经系统相关疾病的关系以及在神经系统生长发育中的作用两个方面进行简要综述。
—、m6A在神经组织基因中的分布及其对mRNA"生命周期"的影响
1974年,Desrosiers等[1]利用真核生物中的多聚腺苜酸结构,首次发现肝癌细胞中mRNA的甲基化状态,其中约80%为m6A,RNA甲基化被认为是继DNA和组蛋白甲基化之后的又一重大发现oMeyer等[2]的硏究结果表明,m6A在大脑、肝脏和肾脏中的表达高于其他组织。
借助高通量测序技术,Meyer等[2]还在小鼠的脑中发现m6A甲基化修饰主要分布在基因内部(94.8%),其中蛋白编码区、非编码区和内含子的比例分别为50.9%.41.9%和2.0%。
非编码区域的m6A倾向于富集在3'非编码区中,而编码区域的m6A主要富集在终止密码子附近。
m6A甲基化修饰是一种动态可逆过程,其对mRNA的影响通常需要"书写器"(writer)、"擦除器"(eraser)以及"阅读器”(reader)三者参与。
m6A“书写器〃是指m6A甲基转移酶,是一种重要催化酶,主要作用是催化m6A对mRNA的修饰,包括甲基转移酶3/14(methyltransferase-like3/14,METTL3/14)、Wilms肿瘤1结合蛋白(Wilms'tumor1-associatingprotein,WTAP)等。
而m6A"擦除器〃是将m6A转化为腺苜的去甲基化酶,在真核生物中,它包括脂肪与肥胖相关基因蛋白(fatmassandobesity-associated,FTO)和AlkB同源蛋白5(AikBhomologue5,ALKBH5)等。
m6A甲基化正常存在于mRNA上,影响mRNA的"生命周期〃从细胞核转录过程开始,其书写和擦除主要发生在这个阶段。
m6A修饰后的mRNA具有特定生物学功能,与m6AmRNA特异性结合的"阅读器〃,包括含有YTH(YT521-Bhomology)结构域的RNA结合蛋白(YTHdomaincontaining/YTHdomainfamily,YTPDC1-2/YTPDF1-3)、富含脯氨酸卷曲螺旋蛋白2A(proline-richcoiled-coil2AzPRRC2A)、脆性X智力低下蛋白(fragileXmentalretardationprotein,FMRP)、真核起始因子3(eukaryoticinitiationfactor3,eIF3)等[3]。
m6A甲基化修饰可促进mRNA翻译,目前认为其机制主要有3种[3]:
(1)通过DF1(YTHdomainfamily-1)和eIF3募集核糖体亚基到mRNA上以增强翻译;
(2)通过5’非编码区m6A与eIF3直接结合增强mRNA的翻译;(3)METTL3直接激活翻译,在mRNA3'非编码区的METTL3和5'mRNA帽之间形成mRNA环,使得终止密码子处的核糖体重新加载到转录组的5,非编码区中以启动翻译。
科学家还在mRNA外显子和内含子区域剪接位点附近发现了m6A,这表明m6A甲基化可以影响mRNA剪接[4]o其中zDC1(YTHdomaincontaining-1)可与剪接调控因子(如SAM68、SC35、SRSF1XSRSF3等)相互作用进而促进剪接[5]。
m6A甲基化通过参与液-液相分离过程促进mRNA降解,当多个m6A成簇存在时,m6A对mRNA降解的影响最为显著。
DF(YTHdomainfamily)家族蛋白识别结合含有多个m6A修饰的mRNA,在细胞质中诱导"相分离"成凝胶、聚合物或液滴,这些富含DF-m6AmRNA的液滴随后被募集到预先存在的无膜室中进行降解[6]。
DF2参与识别m6A还可造成mRNA的不稳定性,这是m6A作用于mRNA的''生命周期”第一个被发现的功能[7]。
FMRP由FMR1基因编码,具有核定位序列以及核输出序列,在细胞质和细胞核中都有分布,可促进m6AmRNA核输出,调控基因表达。
当FMR1基因被敲除后,细胞核内的m6AmRNA含量显著升高,提示m6AmRNA滞留在细胞核内,输出发生了问题[8]。
另外,DC1与剪接调控因子SRSF3(mRNA核输出关键适配器)之间相互作用,同样促进了m6AmRNA的核输出;若DC1基因被敲除则可导致细胞核中m6AmRNA停留时间延长[9]。
总之,m6A通过甲基化相关修饰酶和蛋白对mRNA的翻译、剪接、降解、稳定性及核输出等"生命周期"产生影响。
二、mRNAm6A甲基化修饰对神经系统的影响
mRNAm6A甲基化修饰被认为是神经科学的一个新兴的前沿领域,这可以从一个新的角度更好地了解神经发育和神经疾病。
m6A甲基化修饰正常存在于人体中,通过对mRNA"生命周期"的影响,进而调控着人体内在的各种生命活动,如神经系统的生长发育等;若m6A甲基化修饰的动态平衡被打破,则会导致相应的疾病发生,如神经退行性疾病或其他疾病。
(一)mRNAm6A甲基化与帕全森病的关联
帕全森病是一种常见的与年龄相关的神经退行性疾病,由遗传和环境等多种因素相互作用发展而来,其发病机制尚未完全阐明。
主要病理特征为中脑黑质致密部多巴胺能神经元早期显著变性死亡,导致纹状体多巴胺缺乏,主要症状多为运动迟缓和肌肉颤抖等。
mRNAm6A甲基化修饰作为神经系统基因特异性调控网络中一个新因素,在多巴胺能神经元凋亡中起着至关重要的作用[10]。
研究[10]结果显示,m6A甲基化含量在帕全森病的细胞模型中降低,而在帕全森病大鼠模型中全脑组织总体水平或单纯皮质、海马、中脑水平没有显著变化,只在纹状体区域明显降低;此外,细胞模型中mRNAm6A去甲基化酶FTO含量明显增高,而mRNAm6A去甲基化酶ALKBH5却无显著变化,大鼠模型的中脑区域FTO含量明显增高、ALKBH5无显著变化,而在纹状体中ALKBH5含量明显增高、FTO无显著变化。
说明m6A甲基化参与了帕全森病的发病过程。
该研究结果进一步显示,FTO的高表达通过去甲基化作用显著降低了神经元细胞中m6A的含量,提高了多巴胺信号通路相关基因GRIN1等的表达,该基因能够表达离子型谷氨酸受体1(NMDAR1),致使神经元细胞Ca2+大量内流,引起细胞内Ca2+水平超载,触发一系列Ca2+相关的级联反应,包括:
(1)氧化应激水平升高:
细胞内超氧化物歧化酶活性下降,清除氧自由基的能力降低;
(2)线粒体膜电位降低、线粒体呼吸链复合物□活性降低,导致线粒体功能受损。
最终促进多巴胺能神经元变性或凋亡。
而细胞经m6A抑制剂(如环亮氨酸)处理后,细胞中m6A的含量明显下降并发生与FTO过表达引起多巴胺能神经元凋亡一样的过程;并且若敲除FTO基因则可导致NMDAR1的减少和抗凋亡作用。
再次证明mRNAm6A甲基化修饰在帕全森病的发病机制中发挥重要作用。
另有研究[11]结果显示,mRNAm6A甲基转移酶METTL14对维持纹状体正常功能至关重要。
敲除METTL14基因在不改变细胞数量和形态情况下可降低纹状体m6A甲基化水平,増加神经元兴奋性,减少纹状体神经环路对脉冲频率的适应,损害纹状体功能,导致肌张力升高和不自主运动的发生,临床可出现运动迟缓、震颤、手足徐动和舞蹈症等症状。
(2)mRNAm6A甲基化与阿尔茨海默病(Alzheimer'sdisease,AD)的关联
AD是最常见的神经退行性疾病之一,目前尚无有效治疗方法,常用胆碱酯酶抑制剂在多数患者不能明显地改变疾病进展[12]。
尽管100多年以前就已明确老年斑和神经元纤维缠结是AD主要病理改变,脑组织和血浆中P-淀粉样蛋白和磷酸化tau蛋白累积与AD发病机制密切相关[12],但AD具体的发病机制仍不清楚。
目前有硏究认为脑内神经元突触的缺失和功能障碍与AD的发病机制有关,在突触上可溶性毒性蛋白的沉积可能是AD发病机制的关键因素。
研究[13]结果显示,AD小鼠和正常小鼠的m6A甲基化修饰水平存在显著差异:
AD小鼠的皮质和海马组织中mRNAm6A甲基化的程度明显高于正常小鼠,而小脑中的m6A甲基化程度则无显著差异;与正常小鼠相比,AD小鼠的皮质和海马中mRNAm6A甲基转移酶METTL3的表达明显升高,而两组小鼠的小脑中METTL3的表达无明显不同;AD小鼠的海马中mRNAm6A去甲基化酶FTO的水平明显低于正常小鼠,而其在皮质和小脑中的水平无明显不同。
AD小鼠的皮质和海马组织中mRNAm6A甲基化水平升高,引起[3-淀粉样蛋白沉积明显增加而突触素的沉积减少,进而导致突触前膜、后膜和突触体生长异常,突触功能发生障碍。
AD小鼠中m6AmRNA甲基化表达增强的基因正向调控神经元或突触的生长发育、结构可塑性以及神经冲动传递等,而与NMDAR信号通路的负调节有显著相关性。
此外,那些表达增强的基因还与胞质、细胞器、细胞成分运输和特定物质(如蛋白质、酶、全属离子、阳离子和杂坏化合物)的结合以及催化活性等有关。
但是也有硏究[12]结果表明,在AD小鼠模型中FTO上调,FTO的过度表达通过激活雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信号途径显著提高磷酸化tau蛋白的水平。
表明FTO促进AD小鼠神经元磷酸化tau蛋白的积累,高水平的FTO可促进AD的发展。
FTO调节tau的磷酸化而不是淀粉样蛋白含量,FTO基因敲除降低mTOR信号的激活,进而降低了小鼠神经元tau蛋白的磷酸化,而对tau的mRNA和总蛋白水平没有影响,从而降低了AD小鼠的认知缺陷。
另外,流行病学硏究结果表明糖尿病和肥胖是AD的危险因素,FTO基因位点的突变与人类大脑皮质胰岛素抵抗有关,进而会引起糖尿病;FTO的去甲基化作用调节mRNA剪接,是脂肪生成所必需的,其过度表达则会导致食物摄入增加并引起肥胖;所以,FTO与AD也存在着间接的联系。
(三)mRNAm6A甲基化与胶质母细胞瘤(glioblastoma,GBM)的关联
GBM是中枢神经系统中最具有侵袭性和致死性的原发性脑肿瘤,其患者诊断后的中位生存期小于15个月;胶质母细胞瘤干细胞
(glioblastomastemcells,GSC)是一类具有促进GBM生长和侵袭能力的细胞,并且对化疗和放疗具有耐药性,它的存在预示着GBM的预后不良[14]o
mRNAm6A甲基化修饰可以通过控制肿瘤相关基因的表达来调节
GSC的自我更新和GBM的发生。
在GSC中,mRNAm6A甲基转移酶METTL3和METTL14通过其甲基转移酶作用调节GSC的生长和自我更新;敲除METTL3租或)METTL14基因可显著降低m6AmRNA的水平,使得相应癌基因如ADAM19等表达上调、相关肿瘤抑制因子如CDKN2A等表达下调,从而促进GSC的生长、自我更新和GBM的发生;相反,过表达METTL3和(或)METTL14可使m6AmRNA水平升高,从而抑制GSC的生长、自我更新和GBM的发生[15]。
mRNAm6A甲基转移酶WTAP是一种与增殖和凋亡调节相关的核蛋白,调控mRNA的剪接和稳定性。
硏究者首次发现在正常人脑组织中基础表达的WTAP却在GBM组织中有明显的高表达;WTAP在GSC的增殖中起到了一定的促进作用,这种作用可能是细胞类型特异性的;WTAP还通过控制表皮生长因子受体活性影响表皮生长因子信号传导进而调节GSC的迁移和侵袭,其过表达或敲除分别减少或増加了GSC的迁移和侵袭,它还增加了GSC在异种移植中的致瘤性[16]。
此外,临床病例表明WTAP还与GBM的分级和患者术后生存率差相关
[17]o
FTO是mRNA中第一个被发现氧化去甲基化的m6A去甲基化酶,它在GSC自我更新中起着关键致癌作用,是GBM发生发展所必需的因素之一。
甲氯芬那酸(meclofenamicacid,MA)2是MA的乙酯形式,是美国食品和药物管理局(FDA)批准的非苗体抗炎药。
近期发现MA2可以选择性地抑制FTO活性,提高人类细胞mRNA中m6A水平并有效地抑制GSC诱导的GBM生长,延长GSC移植小鼠的生存期[15]。
mRNAm6A去甲基化酶ALKBH5在GSC中高表达,与预后不良相关,对GBM进展至关重要;ALKBH5通过mRNAm6A去甲基化作用导致m6A水平降低,进而调控转录因子FOXM1,而FOXM1对GSC増殖至关重要,从而促进GSC增殖和自我更新,最终导致GBM的发生;相反,敲除ALKBH5基因则可抑制GSC的生长[17]o总之,目前的硏究结果显示m6A水平的增加可抑制GSC的生长和自我更新,mRNAm6A甲基化修饰有望成为治疗GBM的新靶占
(四)mRNAm6A甲基化对学习记忆的影响
在新兴的表观转录组学领域,mRNAm6A甲基化修饰在学习能力和记忆形成方面具有潜在的作用,它调节成年哺乳动物大脑的生理和应激行为以增强记忆强度[18]o其中,mRNAm6A甲基转移酶METTL3介导的mRNAm6A甲基化修饰对海马依赖性长期记忆的形成有着直接的调节作用。
若敲除小鼠海马中的METTL3基因,则使得m6A含量减少,进而降低记忆的巩固能力;但足够的训练或重新添加上METTL3则可恢复其学习和记忆能力,仍可达到良好的学习效果。
另外,野生型小鼠海马中METTL3的丰度与学习效率呈正相关,METTL3的过度表达使得m6A含量增多,可显著增强小鼠的长期记忆能力
[19]。
同样,mRNAm6A甲基转移酶METTL14对学习表位的转录调节也起到至关重要的作用[门]。
而mRNAm6A结合蛋白DF1可促进小鼠海马中m6AmRNA在神经元刺激下的蛋白翻译,从而促进学习和记忆,敲除DF1基因则表现出学习和记忆缺陷以及海马突触传递功能受损[20]o此外,mRNAm6A结合蛋白PRRC2A基因敲除则会因少突胶质细胞増殖分化和髓鞘形成发生异常,亦可导致认知缺陷[21]o
研究者发现,mRNAm6A去甲基化酶FTO在大脑皮质与海马区记忆的形成中也起菴重要作用,比如在情境恐惧反射后不久可观察到FTO蛋白的减少;当敲除小鼠前额叶皮质中的FTO基因时,m6A对神经元中几个与恐惧相关基因的作用强度显著增强[22]。
这表明FTO通常会限制记忆的形成,m6A甲基化修饰则可促进记忆的形成。
还有研究[23]结果显示,亚碑酸盐可显著增加m6A的含量;接触亚碑酸盐可引起多巴胺含量降低,进而导致突触间隙多巴胺能神经传递障碍,引起学习和记忆障碍以及焦虑行为;而FTO具有减轻亚碑酸盐暴露对多巴胺能神经传递缺陷的能力,这被认为是一种预防亚碑酸盐相关神经障碍的新策略。
(五)mRNAm6A甲基化对神经系统生长发育的影响
与其他器官或组织相比,神经系统中mRNAm6A甲基化修饰水平明显较高,尽管在整个胚胎发育过程中水平较低,但在成年期显著增加;表明mRNAm6A甲基化修饰在神经发育的不同阶段具有动态特征,对神经系统的生长发育以及相关功能起着重要的调控作用[24]。
神经干细胞是具有自我更新功能的多能细胞,是中枢神经系统的重要组成部分;它通过自我更新维持细胞群,并能分化成各种神经细胞,如神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞等。
大量研究结果表明,mRNAm6A甲基化修饰通过调控相关基因的mRNA稳定性,进而调节大脑皮质神经干细胞的细胞周期来参与其自我更新和分化过程,从而促进增殖且防止异常分化,保证了神经干细胞库的储备[25]。
神经干细胞中mRNAm6A甲基转移酶METTL3基因的敲除可使m6A
含量减少,导致mRNA半衰期延长和异常剪接事件的发生,进而严重
影响神经干细胞从自我更新向分化的转变以及胚胎中成熟神经元的形成,使得大脑皮质和小脑发育严重受损,甚至可导致胚胎早期死亡
[26]。
mRNAm6A结合蛋白DF2通过识别m6AmRNA并促进其降解,对小鼠的神经发育也起着一定的调控作用;敲除DF2基因严重影响神经干细胞的增殖和分化,使神经发育受损,甚至在胚胎发育晚期致死[27]。
此外,mRNAm6A结合蛋白FMRP识别m6AmRNA并促进其核输岀,进而调节神经分化;FMR1基因敲除使得m6AmRNA核输出减少,引起小鼠胚胎期神经干细胞的细胞周期进展延迟、分化缺陷,进而导致出生后小鼠皮质可增殖分化的神经干细胞长期维持,最终导致神经元功能缺陷;FMR1基因敲除还与皮质发育和树突棘形成异常有关,从而导致脆性X综合征的发生[8]。
m6A甲基化修饰通过调节神经元突触中mRNA的局部翻译,对突触的功能起着重要作用:
包括突触的导向、生长、再生和可塑性等[28]。
当敲除mRNAm6A甲基转移酶METTL14或结合蛋白DF1的基因时,外周神经系统突触形态异常和数量减少,轴突的再生和功能恢复受到抑制等[29]。
同样,DF2基因敲除后可使分化成熟的神经元无法产生正常功能的突触[27]。
另外,mRNAm6A甲基化修饰在少突胶质细胞发育分化和中枢神经系统髓鞘形成中也起舂重要的调节作用;敲除METTL14基因会导致成熟少突胶质细胞数量减少和中枢神经系统髓鞘形成减少[30]。
mRNAm6A结合蛋白PRRC2A则通过识别
m6AmRNA参与调控少突胶质细胞的增殖分化和髓鞘形成,若敲除
PRRC2A基因可导致显著的低髓鞘化、寿命缩短、运动障碍等[21]。
在低压低氧的条件下,敲除mRNAm6A去甲基化酶ALKBH5的基因破坏了小鼠小脑中mRNAm6A甲基化平衡,导致其核输出显著加快,进而使得小脑表型发生改变,包括神经元结构紊乱、细胞异常增殖和分化、小脑发育明显滞后等[24]。
mRNAm6A去甲基化酶FTO不仅参与调节神经系统的生长发育、神经递质的传递,还可以调节情绪、餐后大脑对前额叶皮质食物刺激的处理,以及影响大脑信号通路导致肥胖等[12]。
若敲除FTO基因则可导致m6AmRNA参与的脑源性神经营养因子通路中几个关键成分的表达发生改变[31]。
我们汇总了目前发现的与神经系统mRNAm6A甲基化修饰相关的酶和蛋白,详见表1。
表1m6AmRNA的神经生物学功能相关的瞞口蛋白质
Table1Neurobiologicalfunctionrelatedenzymesandproteinsofm6Arr
神经救椿况相关的酶和蛋白质
骷金磔病FTO,ALKBH5
河尔惑悪METTL3.FTO
胶•质母红胞瘤METTL3.METTLL4.FTO.ALKBH5、WTAP
学习记忆METTL3.METTL14.FTO、YTHDF1.PRRC2A.
主长发育METTL3.METTL14.FTO、ALKBH5.VFHDF1-3.PRRC2A、FMRP
注:
FTO:
脂肪与肥吐柜关基因宣己rALKBH5:
AlkB•司頑蚩白5;METTL3./L4:
甲基转誓更3口4:
WTAP:
Wilm或电gl结合蛋己3:
PRRC2A:
室含腫氨蟄卷曲艇宝白2A;FMRP:
砌生X琴力低下蚩勻
三、展望
综上所述,mRNAm6A甲基化是一种非常重要的表观转录修饰,它在神经系统内高度表达,有着极其广泛的影响。
然而,mRNAm6A甲基化修饰与神经系统之间的关联是一个相对较新的领域,还有许多问题等舂我们去进一步探讨研究。
随着RNA表观转录组学硏究的深入,将不断硏究m6AmRNA甲基化修饰在神经系统生长发育和神经系统疾病中的作用与机制,寻找其潜在的治疗靶点以利于更好地进行靶向治疗。
未来有望开发出相关酶与蛋白的抑制剂或激动剂以用于临床治疗,为神经系统相关疾病的预防和治疗提供新的思路与方向。
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