M6A修饰调控成脂分化的研究进展

王静，闫爽

(哈尔滨医科大学附属第四医院 内分泌代谢科，黑龙江 哈尔滨 150000)

迄今为止，已发现超过150种不同的RNA化学修饰，N6- 甲基腺苷(N6- methyladenosine,m6A)修饰是一种广泛存在于真核生物mRNA上的碱基修饰行为，用于维持mRNA的稳定性，是表观遗传学重要的转录后调控方式[1]。肥胖是导致代谢性疾病和癌症发展的关键风险因素。它在世界范围内的日益流行引起了人们对脂肪发育和代谢功能的极大关注。为了加强对脂肪生成分子机制的认识，研究人员已经提出了许多调节脂肪细胞分化的机制，包括细胞外信号、转录级联和表观基因组修饰[2- 3]。值得注意的是，m6A修饰在肥胖脂肪组织中减少，在许多与肥胖相关的生物过程中发挥调节作用，包括脂肪生成、脂质代谢和胰岛素抵抗。Wang等[4]使用金华猪和长白猪作为肥胖型和瘦肉型猪的模型，研究m6A基因序列中m6A基因的独特峰，这些体内m6A分布的差异揭示了m6A修饰的变异可能与脂肪功能及脂肪形成有关，而m6A相关蛋白在调节脂肪形成中发挥了特定而重要的作用。

1 m6A修饰

1.1 m6A“编写者”——甲基转移酶

m6A修饰通过由甲基转移酶样- 3(methyltransferaselike- 3，METTL3)和同源基因METTL14异源二聚体组成的核心甲基转移酶复合物沉积到RNA上[5]，其中METTL3作为催化亚基，METTL14促进RNA结合。另一个与METTL3/14结合的关键蛋白- Wilms肿瘤1相关蛋白(wilms’tumour 1- associating protein，WTAP)参与最优底物募集和METTL3/14的核定位。

1.2 m6A“橡皮擦”——去甲基酶

两种依赖Fe2+和α- 酮戊二酸的m6A去甲基酶，主要由脂肪量和肥胖相关蛋白(fat mass and obesity- associated protein，FTO)[6]及ALKB同源5(ALKBhomolog 5,ALKBH5)[7]组成。可以从RNA中去除m6A的甲基化基团。

1.3 m6A“阅读器”——结合蛋白

m6A结合蛋白包括YTH结构域蛋白(YTH domain family proteins,YTHs)、异质核糖核蛋白(heterogeneous nuclear ribonucleoproteins，HNRNPs)和胰岛素样生长因子- 2mRNA结合蛋白(insulin- like growth factor- 2mRNA binding proteins,IGF2BPs)。目前已经进行了广泛的研究来探讨YTH结构域的家族蛋白1- 3(YTH domain- containing family proteins1- 3，YTHDF1- 3)、YTH结构域包含蛋白1(YTH domain- containing protein1，YTHDC1)和YTHDC2的功能[8- 10]。m6A结合蛋白可通过调控mRNA稳定性、mRNA剪接、mRNA结构、mRNA输出、翻译效率等多个过程来识别并结合m6A修饰的转录调控基因表达和miRNA的生物发生[11- 12]。

2 m6A甲基转移酶——METTL3抑制脂肪生成

2.1 METTL3抑制骨髓间充质干细胞(BMSCs)脂肪生成

m6A修饰是BMSCs和成骨细胞前体细胞谱系分配的关键调节因子。Wu等[13]证实METTL3的缺失会抑制骨形成和骨髓脂肪堆积。在BMSCs和成骨细胞前体中，METTL3的缺失通过m6A甲基化抑制了成骨潜能，增加了成脂分化。从机制上讲，METTL3基因敲除降低了Janus激酶1(januskinase1,JAK1)的m6A水平，增加了其在猪BMSCs中的表达，导致转录激活因子5(activator of transcription 5,STAT5)磷酸化上调，并与增强子结合蛋白(C/EBP)β/JAK1的启动子结合，最终调节成脂过程[14]。研究对m6A修饰调控BMSCs向脂肪细胞分化的潜在分子机制提供了新见解，这为在干细胞再生医学和肥胖症治疗中开发更有效的治疗策略铺平了道路。

2.2 METTL3调控细胞周期抑制脂肪生成

METTL3/METL14/WTAP复合体通过促进细胞周期转换来调控脂肪的生成。在小鼠体内敲除METTL3/METL14/WTAP复合体，抑制细胞周期素A2(Cyclincyclin A2,CCNA2)表达上调，导致细胞周期停滞，脂肪细胞的体积变小和数量减少，脂肪生成受损，能量消耗增加，肝脏脂肪变性减轻，巨噬细胞浸润，胰岛素敏感性更好[15]，从而对抗小鼠高脂饮食诱导的肥胖。M6A修饰对脂肪形成调控的复杂性可能与基因干扰的效率及体内研究的复杂性有关。另一种观点认为，所有这些纯合子基因敲除小鼠都是胚胎致死的，表明m6A“编写者”在动物发育中起关键作用。

因此，还需要进一步研究甲基转移酶复合体在脂肪生成中的作用。另一个细胞实验证明锌指蛋白217(zinc finger protein 217,ZFP217)缺失可增加m6A的表达，从而上调细胞周期蛋白D1(cyclinD1，CCND1)mRNA的m6A水平，并显著减少G1期细胞数量，METTL3基因敲除挽救了siZFP217抑制的有丝分裂克隆扩增(mitotic clonal expansion,MCE)，促进了CCND1的表达，YTHDF2识别并降解甲基化的CCND1mRNA，导致CCND1表达下调[16]。总之，ZPF217、METTL3和YTHDF2协同作用，通过m6A修饰介导CCND1的表达，影响MCE过程，进而影响脂肪形成。

3 m6A去甲基酶——FTO和ALKBH5促进脂肪生成

3.1 FTO通过MCE促进脂肪生成

MCE是脂肪形成的关键步骤，发生在脂肪细胞分化早期，FTO通过介导MCE期间关键细胞周期基因的表达来调节细胞周期进程和细胞增殖。CCNA2和细胞周期素依赖性蛋白激酶2(cyclin- dependent kinase 2,CDK2)是早期有丝分裂事件的主要调节者，通过形成介导S～G2期转变的复合体，在细胞周期调控中发挥重要的作用[17]。Wu等[18]研究发现，FTO的缺失促进了CCNA2和CDK2mRNA的m6A修饰，导致MDI[含有胰岛素(INS)、地塞米松(DEX)和3- 异丁基- 1- 甲基- 黄嘌呤(IBMX)]诱导的3T3L1细胞延迟进入G2期，此外，YTHDF2识别并降解甲基化的CCNA2和CDK2mRNA，导致蛋白质表达减少，延长细胞周期进程，从而抑制脂肪生成。学者进一步研究发现，FTO缺失以m6A依赖的方式抑制JAK2的猪和小鼠前脂肪细胞的表达，导致STAT3磷酸化增加并减弱C/EBPβ的转录，从而抑制早期MCE阶段的脂肪细胞分化[19]。其结果对FTO介导的细胞周期在JAK2- STAT3- C/EBPβ信号轴转录后调控中的分子机制有了新见解，突出了 m6A 修饰及其调节剂在脂肪生成中的关键作用，是未来肥胖症和相关代谢疾病治疗有希望的靶点。

3.2 FTO通过改变脂肪细胞表型促进脂肪生成

FTO对白色脂肪细胞的棕色化和能量代谢具有调节作用。在高脂饮食诱导的小鼠中，FTO缺乏增加了缺氧诱导因子1A(hypoxia- inducible factor 1,HIF1A)mRNA的m6A水平，并被m6A结合蛋白YTHDC2识别，促进了mRNA的翻译，增加了HIF1A蛋白的丰度。HIF1A激活过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子1A(peroxisome proliferator activated receptor gamma coactivator 1a，Ppaggc1a)、PR结构域蛋白16(PR domain- containing 16,Prdm16)和过氧化物酶体增殖物激活受体γ(peroxisome proliferator activated receptor gamma，PPARG)等生热基因的转录，从而促进解偶联蛋白1(uncoupling protein 1,UCP1)的表达和棕色化过程[20]。FTO缺失小鼠表现出较强的产热能力，并抵抗高脂饮食诱导的肥胖。m6A修饰在白色脂肪棕色化和生热功能的表观遗传调节中起着关键作用，为肥胖代谢提供了新的治疗思路。

3.3 FTO通过调节代谢促进脂肪生成

新陈代谢的调节和RNA生物学是细胞的核心。很多代谢物通过m6A来调节mRNAs。Wang等[21]用荧光猝灭试验筛选了一组代谢物，并确定了烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamideadenine dinucleotide phosphate,NADP)与FTO显著结合。在体外去甲基化分析表明，NADP可增强FTO活性，此外，NADP通过体内FTO调节mRNA m6A，FTO的缺失阻断了3T3- L1前脂肪细胞中NADP增强的脂肪生成。

3.4 FTO 在脂肪生成过程中调节自噬

Wang等[22]使用了两个理想的细胞模型，即小鼠3T3L- 1细胞系和猪原代前脂肪细胞，首次揭示了FTO通过激活自噬促进脂肪生成的网络，并表示这种自噬在物种之间可能是高度保守的。敲除FTO会降低自噬相关蛋白5(autophagy related 5,ATG5)和ATG7的表达，导致自噬体形成减弱，从而抑制自噬和脂肪生成。通过建立FTO- AKO的小鼠模型印证了FTO缺失减少小鼠白色脂肪量，显著降低了自噬通量LC3- II与I的比值，提高了螯合体1(sequestosome1,SQSTM1)蛋白丰度，从而抑制ATG5和ATG7依赖的自噬。此发现为FTO和m6A修饰调节自噬和脂肪生成的潜在分子机制以及预防和治疗肥胖症策略的研究展现了新视角。

3.5 FTO在脂肪生成过程中调控细胞凋亡

在脂肪细胞凋亡中，Shen等[23]研究表明，在体内和体外实验中FTO的过表达抑制促凋亡因子Caspase- 3、Caspase- 9和Bcl- 2相关X蛋白(bcl- 2- associated X protein,BAX)以及线粒体未折叠蛋白反应(mitochondrial unfolded protein response,UPRmt)标志物热休克蛋白60(heart shock protein,HSP60)和酪蛋白溶解蛋白酶P(caseinolyticprotease P, ClpP)的表达。最重要的是FTO的过表达抑制了脂肪细胞中线粒体依赖性细胞凋亡。UPRmt诱导真核起始因子2α激酶2(eukaryotic initiation factor 2α kinase 2,PKR)和真核起始因子2α(eukaryotic initiation factor 2α,eIF2α)磷酸化增加，烟酰胺核糖(nasal resistance, NR)诱导UPRmt，激活转录因子5(activating transcription factor 5,ATF5)介导的凋亡相关基因BAX通过UPRmt靶向PKR/eIF2α/ATF5途径激活。FTO通过减少HSP60mRNA m6A修饰抑制UPRmt诱导的脂肪细胞凋亡，并激活JAK2/STAT3信号通路抑制线粒体依赖性的脂肪细胞凋亡。因此学者对UPRmt的研究证实，线粒体在代谢适应、脂肪细胞凋亡和肥胖中起着至关重要的作用。

总之，越来越多的证据支持FTO依赖的m6A去甲基化在脂肪形成中起着关键作用。FTO部分通过影响MCE分期、代谢物、自噬、细胞表型改变、细胞凋亡促进脂肪生成，其他促进脂肪生成的机制尚需进一步阐明。尽管已有大量研究表明了FTO在脂肪形成中的作用，但FTO蛋白本身是如何被调控的仍然是一个令人困惑的问题。在FTO上游机制的研究中，Song等[24]发现Zfp217是FTO的转录调控因子，以m6A依赖的方式促进脂肪生成，为理解m6A修饰在脂肪生成过程中的调控提供了新的视角。

3.6 ALKBH5在姜黄素的影响下调控脂肪生成

ALKBH5作为另一种去甲基酶，其在调控脂肪细胞分化方面的作用也不容忽视。姜黄中的天然多酚化合物姜黄素已显示出对肥胖和代谢疾病的保护作用。饲喂姜黄素可增加小鼠皮下腹股沟白色脂肪组织和内脏附睾白色脂肪组织中m6A修饰，降低ALKBH5水平。ALKBH5蛋白的减少导致TNF受体相关因子4(TNF receptor- associated factor 4，TRAF4)mRNA的m6A 修饰增加，该修饰可被YTHDF1识别和结合，从而增强TRAF4在脂肪细胞中的翻译。TRAF4作为E3环泛素连接酶，通过泛素- 蛋白酶体途径促进脂肪细胞分化调节剂PPARγ泛素化，降低PPARγ水平，抑制脂肪细胞的成脂[25]。

4 YTH家族介导关键基因的RNA代谢调控脂肪生成

4.1 YTHDF2

m6A修饰被FTO或METTL3敲除或沉积后，YTHDF2增加或减少CCNA2[18]、CDK2[18]、JAK1/2[19,23]、Atg5或Atg7[22]等甲基化mRNA的识别和降解，从而改变靶蛋白的表达。此外研究还探讨了对单个基因的mRNA修饰。Cai等[26]发现，具有序列相似性134的家族成员B(family with sequence similarity 134, member B,FAM134B) mRNA中m6A的缺失促进脂肪生成，YTHDF2可能识别并结合其m6A位点，导致mRNA稳定性和蛋白质表达降低。并且实验表明Zfp217与YTHDF2相互作用，维持FTO的m6A去甲基化活性，促进脂肪生成。

4.2 YTHDF1

除了YTHDF2降解mRNA外，YTHDF1还通过增加蛋白质表达来调节脂肪生成。Jiang等[27]在金华猪中发现了一个独特的甲基化基因，称为线粒体载体同源物2(mitochondrial carrier homolog 2,MTCH2)，它以m6A- YTHDF1依赖性方式促进肌肉内脂肪生成。在小鼠姜黄素给药的实验中，ALKBH5和YTHDF1对m6A依赖性TRAF4表达的上调有助于姜黄素诱导的肥胖症的预防[25]。

4.3 YTHDC2

M6A修饰在白色脂肪组织棕色化的最新研究进展中提示，HIF1A以m6A- YTHDC2依赖性方式促进UCP1的表达和产热[20]。

因此，m6A修饰在调节脂肪生成方面的功能结果取决于m6A“阅读器”对转录本特定m6A位点的读取，以影响其RNA代谢。这些研究强调了m6A“阅读器”作为mRNA甲基化和代谢的下游调节因子以m6A依赖性方式调节脂肪生成的潜在作用机制。

5 展 望

综上所述，m6A修饰主要由m6A甲基转移酶催化，m6A去甲基酶去除，并由m6A结合蛋白识别，从而参与mRNA的所有代谢过程。将近些年来m6A相关酶和蛋白在脂肪生成中的作用作一总结发现，在脂肪组织中m6A修饰的失调可能导致基因表达和功能的异常、细胞的异常分化和体内平衡的失衡以及代谢性疾病的发生，如表1。m6A修饰的动态可逆性质在调节基因表达和生理稳态信号通路中起着关键作用。

表1 m6A修饰相关酶及其生物学效应

尽管越来越多研究证实m6A修饰调控脂肪生成方面有巨大的潜力。但目前仍然存在许多挑战：(1) 目前研究者虽对脂肪形成的转录调控机制进行了深入研究，但对转录后mRNA水平修饰的报道相对较少。(2) 由m6A调节的RNA加工和代谢的作用需要在脂肪生成，也包括在脂质代谢中进一步证明。(3) 研究m6A修饰的潜力尚未开展甲基化谱研究，作为人类代谢疾病的诊断、预后预测和治疗的一个组成部分。从FDA系统中寻找针对新型m6A相关酶的“经典”药物可能有助于更好地应用这些潜在药物治疗肥胖症，具有广阔的临床应用前景。目前关于m6A甲基化的研究主要集中于癌症的诊断，未来仍需进一步研究m6A修饰在脂肪生成中的具体分子机制及潜能，从而更好地为肥胖及其相关代谢性疾病的诊断和治疗提供科学理论依据。