核糖体18S rRNA m6A甲基转移酶METTL5的研究进展*

严媛丽， 林芷伊， 勾伟颖， 李西海

（福建中医药大学中西医结合学院，福建 福州 350122）

N6-甲基腺嘌呤（N6-methyladenosine， m6A）即在腺苷酸的第6位氮原子处发生甲基化，是真核生物核糖核酸（ribonucleic acid， RNA）普遍的表观遗传修饰之一，存在于多种类型的RNA分子上，参与生物发生、稳定性调节、半衰期控制和前体信使RNA（messenger RNA， mRNA）剪接、输出及翻译等诸多关键细胞过程。m6A甲基化修饰是一种动态可逆的过程，涉及到甲基化、去甲基化和甲基化修饰位点的识别，分别由m6A甲基转移酶、m6A去甲基化酶和m6A甲基化阅读蛋白介导［1-3］。近十年的研究已证实RNA的m6A修饰在基因表达和疾病进展的调节中发挥了重要作用，目前对于mRNA上的m6A修饰已进行了大量研究，并且有许多相关综述，但对于占细胞总RNA含量80%以上的核糖体RNA（ribosomal RNA，rRNA）其m6A修饰的作用和机制尚有很多待揭示的问题。甲基转移酶样蛋白5（methyltransferase-like protein 5， METTL5）是近年被检测到的特异性介导核糖体18S rRNA m6A修饰的甲基转移酶，现对其研究进展进行综述。

1 METTL5概述

1.1 METTL5的组织表达和亚细胞定位 METTL5在成人的大部分组织器官中均有所表达，其中在消化道的表达水平最高（检索来源于人类蛋白图谱：https：//www.proteinatlas.org/ENSG00000138382-METTL5/tissue）。Rong等［4］通过检测20~70岁患者的各组织器官（包括脑、肌肉、血液、心脏、结肠和肺组织），观察到METTL5在年轻患者的组织表达高于年老患者，且METTL5的表达随着组织年龄的增长而下降，这意味着METTL5很可能在人类早期发育时期有更高的表达水平。在Rong等研究之前，Richard等［5］在人类胚胎早期发育时期（受精后8周）的小脑皮层、海马体和纹状体中也检测到METTL5的蛋白表达，但胚胎发育期间的METTL5表达水平是否高于成年时期，METTL5在年老组织中表达减少是否为应对衰老相关应激的自然过程，目前尚不清楚，还需要后续的研究来阐释。

METTL5在细胞中的定位主要包括细胞质及核仁。在COS-7、HEK293T和U2-OS等细胞系中检测到METTL5主要定位于核仁，且在细胞质中有一些弥漫性表达，而在HeLa和HepG2等细胞系中METTL5主要表达于细胞质［6］；在大鼠海马神经元中，METTL5主要表达于细胞核及树突［7］；在果蝇S2R+细胞中，METTL5则主要存在于细胞质，少量定位于核仁［8］。METTL5亚细胞定位的差异说明其在不同的细胞类型中可能具有不同的功能，但仍需进一步的研究来解释这种定位差异，METTL5与其底物相互作用的具体亚细胞位置也有待阐明。

1.2 METTL5介导核糖体18S rRNA的m6A修饰METTL5介导的m6A修饰位点位于核糖体18S rRNA的A1832，该位点的m6A修饰于多年就已被检测到，但直到2019年才确定METTL5为催化这一反应的特异性甲基转移酶［9］。Sepich-Poore等［7］和Tran等［9］研究显示过表达METTL5可显著升高18S rRNA A1832位点的m6A修饰，而沉默或突变METTL5基因后均降低了该位点m6A修饰水平，且A1832相邻位点的甲基化修饰并不受影响。与其他的m6A甲基转移酶相似，METTL5也是以复合体形式介导m6A修饰。Tran等研究表明METTL5需与tRNA甲基转移酶活化物亚基11-2（tRNA methyltransferase activator subunit 11-2， TRMT112）形成异二聚才能稳定存在，他们观察到该复合体之间形成一个较大的疏水核心和平行的β-拉链，并且在S-腺苷甲硫氨酸周围形成了一个保守的结合区，沉默TRMT112导致METTL5蛋白表达水平显著降低［9］。不过TRMT112可以对多种甲基转移酶进行变构调节，不知它所介导的不同甲基化过程是否存在相互作用。

18S rRNA的A1832位点位于核糖体的解码中心附近，该位点的m6A修饰可能是通过将解码中心塑造为更容易与mRNA结合的构象，进而参与调节核糖体的翻译活动。Tran等［9］观察到A1832位点靠近小核糖体亚基解码中心的h44-h45环，通过比较前体18S rRNA和成熟18S rRNA之间A1832位点周围的结构，前体亚基显示出更加松弛的构象，这种构象使METTL5-TRMT112复合体能够甲基化A1832位点；Rong等［4］观察到甲基化后的A1832位点在h44-h45环中与另一条附近的rRNA核糖甲基化修饰（Cm1703）进行非经典碱基配对，作者提出这一作用可能导致构象变化，使解码中心的rRNA更接近mRNA底物。目前关于A1832位点的m6A修饰对翻译功能的调节作用尚有不同看法。Wang等研究显示沉默METTL5对细胞整体mRNA翻译没有明显影响［10］，这一研究结果与其他的研究并不一致（见下文）。考虑到METTL5在不同细胞的定位差异，其对核糖体翻译功能的影响是否也因此产生差别，或者是否因生物条件的不同导致METTL5与底物相互作用过程受到其他因子的调节，之后还需要有更多的研究来阐明其中的分子机制。

2 METTL5在恶性肿瘤的作用

2.1 METTL5在大部分恶性肿瘤中表达上调且影响预后 相较于癌旁组织或正常组织，METTL5在肝癌、乳腺癌、胰腺癌、肺癌、肾癌和子宫内膜癌等多种恶性肿瘤中的表达均显示上调，这些肿瘤组织中A1832位点的m6A修饰也显著增高，且肿瘤的分期和分级越高，METTL5表达水平也越高，患者预后越差［11-13］。体内外的研究均表明，METTL5促进了癌细胞增殖、迁移、侵袭和肿瘤发生［14］，而下调METTL5具有良好的抗肿瘤效果，可抑制癌细胞增殖和侵袭，诱导癌细胞凋亡，降低多种肿瘤标志物的表达［15］。与前述研究不同的是，Wang等检测到胃癌组织的METTL5蛋白表达低于邻近正常组织和邻近肠化生组织，而高表达METTL5的患者预后较好［16］。METTL5在不同癌组织、肿瘤的不同分期或分级中的表达差异，提示其在组织器官中存在表达差异性，其作用机制也不尽相同。METTL5同家族的甲基转移酶METTL14也存在类似的组织表达差异，例如乳腺癌组织中METTL14表达增加并促进了癌细胞的迁移和侵袭，而在结直肠癌中METTL14蛋白显示下调并抑制癌细胞增殖和转移［17］。

2.2 METTL5影响了肝癌细胞的糖脂代谢 利用异常的代谢信号通路来获得所需能量是癌细胞能够快速增殖的一个重要因素，在肝癌细胞中METTL5也主要通过调节代谢信号影响癌细胞活动。Peng等［18］的研究显示，METTL5缺失可使肝细胞癌（hepatocellular carcinoma， HCC）细胞80S核糖体组装受损，导致核糖体翻译功能改变，核糖体测序结果显示受影响的mRNA主要富集在脂肪酸生物合成途径，并且癌细胞的游离脂肪酸、甘油三酯、胆固醇等脂质合成均显著降低，作者进一步检测了受METTL5敲除影响的长链脂肪酸的来源，结果显示其主要来源于葡萄糖的生物合成，且大多数长链脂肪酸尤其是多不饱和脂肪酸含量随着METTL5敲除显著降低，而这些多不饱和脂肪酸主要由β氧化途径分解而来，作者提出METTL5可促进脂肪酸的过度生成与氧化，使正常细胞转化为癌细胞，而METTL5的缺失可能会损害癌细胞的β氧化。同年，Sepich-Poore等［7］的研究也显示敲除人肝癌细胞METTL5后引起翻译过程受影响的mRNA主要富集在胆固醇和脂质生物合成过程，他们接着在小鼠身上敲除METTL5，这些基因敲除小鼠出现体脂减少，受METTL5敲除影响的mRNA也主要参与脂质生物合成和储存，此外，这些小鼠还出现了游离甲状腺激素水平升高，这可能也是小鼠体脂减少的原因之一。

除了调节脂代谢，METTL5也参与调节肝癌细胞的糖代谢。Xia等［19］的研究显示，METTL5介导18S rRNA m6A修饰可通过调控泛素特异性肽酶5的翻译过程，增加原癌基因c-Myc的稳定性，从而激活其下游糖酵解相关基因，影响癌细胞的糖代谢，促进肝癌细胞的增殖和转移，而敲低METTL5可通过抑制Myc通路下调细胞程序性死亡-配体1的表达，抑制肝癌细胞的恶性行为。事实上，m6A甲基转移酶METTL3和去甲基化酶FTO已被证实参与调节糖脂代谢过程，在肥胖症、2型糖尿病、非酒精性脂肪肝和骨质疏松症等代谢性疾病中均扮演重要角色［20］。Rong等［4］的研究也显示，在METTL5突变的动物体内参与内质网未折叠蛋白反应（unfolded protein responses，UPR）的mRNA水平显著增加，而UPR可参与调节营养及能量代谢，可见调控细胞的糖脂代谢过程是METTL5影响肝癌细胞活动的重要途径之一。

2.3 METTL5在其他恶性肿瘤的作用机制 研究表明，由于癌细胞需要大量的营养来支持其过度生长，因此蛋白质翻译活性在癌症中普遍升高［21］，Rong等［4］在乳腺癌中检测到，敲低癌细胞的METTL5，可导致翻译起始因子与核糖体结合减弱，且与翻译起始相关的p70核糖体蛋白S6激酶磷酸化水平降低，从而引起细胞整体翻译水平下降、细胞生长受抑制、细胞凋亡明显增加，METTL5的小分子抑制剂或许有望成为治疗乳腺癌的潜在手段。

随着肿瘤免疫疗法的出现和逐步成熟，已有许多研究证实m6A修饰在肿瘤免疫调节中发挥重要作用，以下几项研究显示，METTL5对癌细胞的影响可能也涉及到免疫调节作用。Zhang等［11］检测到肾癌组织中METTL5的共表达基因主要富集在Th17、Th1和Th2细胞分化以及磷脂酰肌醇3-激酶活性等免疫通路中；Wang等［16］在胃癌组织中也检测到METTL5低表达组患者的基因主要富集在Fcγ受体介导的吞噬、Fcε受体I、趋化因子、T细胞受体和B细胞受体信号通路等免疫通路；Liu等［22］的研究显示，在子宫内膜癌细胞中METTL5与基因沉默、mRNA结合、嗅觉受体活性、抗原加工和呈递、嗅觉转导以及toll样受体信号通路呈负相关关系。不过这几项研究并未对测序结果进行验证，后续的研究还需要进一步阐明METTL5在免疫调节中的角色。

3 METTL5在大脑发育异常的作用

越来越多的证据显示，甲基转移酶和其他表观遗传调节因子在神经发育中发挥着重要作用，METTL5基因变异或缺失已被证明可引起小头畸形、智力障碍等大脑发育异常。Richard等［5］对大脑发育异常患者（来自巴基斯坦、伊朗和也门）进行了基因测序，检测到了MELLT5基因的变异，这些患者除了有大耳/后旋耳、宽鼻底、身材矮小、小头畸形以及其他各种面部畸形，还伴有智力障碍、语言障碍或缺失等，他们接着在斑马鱼中敲低METTL5，证实METTL5的缺失可导致斑马鱼出现小头畸形。之后Torun等［23］在来自阿富汗的大脑发育异常患者中也检测到了METTL5基因变异，不过这些患者的运动系统功能是正常的，步态、听力和视力均无异常［5，23］。METTL5的缺失对大脑功能的影响似乎主要体现在学习和记忆能力受损，而对于运动能力和自主行为并无明显影响。Wang等［10］也观察到敲除了METTL5基因的小鼠在水迷宫试验中表现不佳，但其游泳能力并未受到影响。此外，Leismann等［8］在果蝇中的研究也显示，敲除CG9666（果蝇上与人类METTL5同源的序列）减少了核糖体18S rRNA m6A修饰，且降低了果蝇的行走方向感。

神经分化和髓鞘形成对包括学习能力和智力在内的各种大脑功能都至关重要，目前的研究显示METTL5也是通过调节这两个过程影响大脑发育。Wang等［10］在小鼠胚胎干细胞（embryonic stem cells，mESCs）中敲除METTL5，观察到mESCs的神经分化能力明显受损，不过METTL5敲除对未诱导分化的胚胎干细胞的整体mRNA表达没有明显影响，因此他们认为mESCs的自我复制并不受METTL5影响。Wang等［10］接着对METTL5敲除小鼠的脑组织进行RNA测序，结果显示METTL5敲除小鼠的脑组织下调基因参与了神经元的髓鞘形成和神经递质转运过程，且脑组织中调控神经发育和髓鞘形成的基因和蛋白表达均降低。先前的研究已证实m6A修饰对大脑神经元和少突胶质细胞的分化发育、髓鞘形成以及学习记忆等神经功能起着重要的调控作用［24］，不同类型的m6A修饰在大脑发育过程是否存在一个作用网络，还有待后续的研究阐明。

4 METTL5在胚胎干细胞分化异常中的作用

除了Wang等［10］的研究，其他几项研究也显示METTL5在mESCs分化中起到重要作用。Xing等［25］观察到METTL5缺失会导致小鼠mESCs出现显著的分化缺陷，METTL5介导的18S rRNA m6A修饰促进了细胞分化关键调节因子F-box和WD重复结构域蛋白7（F-box and WD repeat domain containing protein 7， FBXW7）的高效翻译，因此，METTL5缺失可降低FBXW7的表达水平，导致其底物c-myc的积累，进而抑制mESC分化。Ignatova等［26］的研究表明，mESCs中敲除METTL5会导致mESCs发生过早分化，细胞整体翻译率下降、多能性自发丧失和分化潜力降低，METTL5敲除小鼠以非孟德尔率出生，并出现形态和行为异常。这两项研究和Wang等［10］的研究都显示敲除METTL5的mESC分化能力受损，尤其是神经外胚层的分化，这也进一步支持了METTL5在大脑发育中的作用。

5 METTL5在心肌肥厚中的作用

随着m6A修饰在心脏疾病中的作用被逐渐认识，METTL5在心脏生理和病理中的功能也开始被关注到。Han等［27］的研究显示，METTL5是心肌肥厚中的翻译调节因子，他们检测到METTL5的mRNA和蛋白水平在人类心力衰竭的心脏中均有所降低，接着他们在小鼠心脏局部敲除METTL5，观察到在心脏压力过载诱导的情况下，METTL5的缺失可促进小鼠心肌细胞肥大、纤维化增加、不良重构和心力衰竭，在离体的小鼠心室肌细胞中敲除METTL5后，同样观察到心肌细胞呈肥大生长，进一步检测显示，METTL5促进了多梳抑制复合体2的核心成分SUZ12的翻译，而过表达METTL5对离体心肌细胞肥大标志基因的抑制作用可通过敲低SUZ12部分恢复，不过在心脏压力正常的情况下，局部敲除小鼠心脏METTL5并不会使心脏出现明显异常，METTL5的缺失似乎仅仅只促进了压力超负荷引起的心肌肥厚，这也说明了METTL5的作用会受到不同生物条件的影响。不过这一研究未在活体的心脏中特异性过表达METTL5，因此其在延缓心肌肥厚和心力衰竭进展中的治疗潜力还有待进一步验证。虽然目前尚不清楚METTL5调控翻译过程的具体机制，但它对翻译过程存在调控作用几乎已成为共识。不少研究表明翻译控制是调节细胞病理性肥大的重要因素［28-30］，对于存在细胞肥大导致组织病理性重塑的疾病，METTL5的翻译调控作用或许是一个有意义的研究方向。

6 结语和展望

METTL5作为核糖体18S rRNA A1832位点的特异性甲基转移酶，研究表明其参与多种恶性肿瘤、大脑发育异常、胚胎干细胞分化异常及心肌肥厚的发生和发展，提示其可能具有较大的临床应用价值，有望成为相关疾病的预测指标和潜在治疗靶点。但目前对于METTL5的认识还处于比较初始的阶段，关于其研究仍有许多亟待解决的问题。例如：METTL5在不同组织的表达量和位置尚不完全清楚；METTL5与底物相互作用的亚细胞位置和机制也有待探索；既然m6A修饰是一种动态可逆的过程，核糖体18S rRNA A1832位点的m6A去甲基化酶是什么，机制又是如何；这些问题都有待进一步研究阐明。此外，随着表观转录组的发展，越来越多的RNA修饰被人们所认知，未来的研究可着眼于探究METTL5介导的m6A修饰与其他的RNA修饰或者其他细胞调节通路之间是否存在相互作用；在疾病研究中，已知METTL5可通过影响肝癌细胞的糖脂代谢调节癌细胞的活动，因此其在代谢性疾病中的作用亦值得关注。