m6A甲基化修饰在乳腺癌中作用及调控机制研究进展

贺紫薇 葛梦迪 孙心悦 刘成祥 王宽宇

乳腺癌(breast cancer,BC)是威胁全球女性生命健康的重要风险因素,根据2020年美国癌症协会发布的BC流行病学统计数据,全球BC病例数已经超过270万,每年新增病例约为60万,BC仍是导致女性死亡的主要原因之一[1]。近年来,表观遗传修饰在恶性肿瘤的发生和发展中的调节作用备受关注。研究表明,BC的表观转录具有生物多样性,其中包括RNA甲基化修饰。N6-甲基腺嘌呤(N6-methyladenosine,m6A)是生物体中丰度较高且影响较大的修饰类型之一,也是真核生物中常见的RNA甲基化修饰类型[2]。2011 年,芝加哥大学何川教授团队研究发现了 m6A 的去甲基化酶 FTO,揭示m6A的可逆化修饰,他们证明了这种 RNA 甲基化具有可逆性,且明确了 RNA 层面的修饰也参与了基因表达调控[3]。

随着测序技术的发展,RNA表观修饰研究领域得到了开创性发展,m6A修饰作为主要的RNA表观遗传修饰之一,也成为了生物科学领域的研究热点。研究表明,m6A在癌症中发挥重要作用,参与肿瘤细胞的生物学功能,例如增殖、侵袭、转移、耐药等,与患者的预后密切相关[4]。但m6A与BC的关系及其在BC发生、发展中的作用机制尚不明确。本文重点阐述了m6A甲基化修饰的生物调节过程以及m6A在肿瘤发生、发展过程中的作用,就m6A甲基化修饰在BC生长、侵袭、转移及耐药等方面的作用及调控机制展开综述,旨在揭示m6A甲基化修饰在BC发生、发展过程中的作用位点,为BC的治疗提供新策略。

一、m6A甲基化修饰

1.m6A甲基化修饰的概述:RNA修饰在调节人类的生命健康和疾病中发挥着重要作用,已知有160多种RNA修饰类型,广泛分布于各种RNA类型[5]。据Boccaletto等[6]研究报道,在真核生物的mRNA中,RNA修饰主要包括N1-甲基腺苷(m1A)、N6-甲基腺苷(m6A)和5-甲基胞嘧啶(m5C)等类型,其中m6A最早于20世纪70年代被发现,是大多数高等真核生物的mRNA和lncRNA中最常见、最丰富的内部修饰之一[7]。m6A甲基化修饰是一种可逆的动态调控机制,需要甲基化转移酶、去甲基化酶和甲基化识别蛋白共同参与[8]。

2.m6A甲基转移酶:m6A甲基转移酶是一类重要的催化酶,主要作用是将甲基基团从S-腺苷甲硫氨酸(SAM)转移给亲霍尔基,从而实现DNA、RNA和蛋白质等生物大分子中的甲基化修饰[9]。在m6A甲基化修饰中,甲基转移酶主要包括METTL3、METTL14、WTAP和VIRMA等亚基,这些亚基通过相互作用形成复合物,共同催化mRNA上的腺苷酸进行m6A甲基化修饰[10]。根据结构生物学研究,METTL3和METTL14是m6A甲基化修饰的关键酶,它们以复合物形式存在,并参与特定腺苷残基的甲基化,WTAP、VIRMA和其他蛋白也是重要的组成部分。其中WTAP在招募METTL3和METTL14方面具有非常重要的作用,在m6A甲基化修饰过程中METTL3是唯一的催化亚基,它与METTL14和WTAP结合形成复合体,并以甲基转移酶复合物的形式催化特定序列介导的m6A修饰,在完成催化作用方面发挥重要作用。

3.m6A去甲基化酶:m6A去甲基化酶是指能够将mRNA上某些m6A甲基化修饰还原为腺嘌呤的酶。在真核生物中,已发现多种m6A去甲基化酶,主要包括FTO (fat mass and obesity-associated protein)、ALKBH5 (AlkB homolog 5)、ALKBH3 (AlkB homolog 3)、DIOX4 (dioxygenase 4)以及FTO-2OG酸化酶家族等[11,12]。目前,对m6A去甲基化酶的研究主要关注于FTO和ALKBH5这两种酶。FTO是第一种被发现的m6A去甲基化酶,对于肥胖和2型糖尿病等疾病具有重要的功能。FTO蛋白属于AlkB蛋白家族,其核心结构域与AlkB家族相似,但在C端具有独特的长环结构与AlkB家族中的其他蛋白不同,使得FTO蛋白能够去甲基化修饰单链DNA或单链RNA的甲基化修饰。一旦FTO基因的转录水平发生异常,可能会引起多种疾病[13]。ALKBH5是另外一种重要的去甲基化酶,它能够对细胞核中的mRNA进行去甲基化修饰,当ALKBH5被敲低时,mRNA上的m6A修饰水平明显上升[14]。此外,ALKBH3 与ALKBH5也被发现具有去甲基化活性[12]。

4.m6A甲基识别蛋白:m6A甲基化修饰可通过特定的蛋白质识别和介导,调节RNA的稳定性、转运、翻译、和帮助合成蛋白等多种生物学功能,从而影响疾病的进程[15]。目前已知的m6A甲基识别蛋白包括YTH结构域家族(YTHDF1、YTHDF2、YTHDF3和YTHDC1)、HNRNP家族、IGF2BPs家族(IGF2BP1、IGF2BP2、IGF2BP3)、FMRP家族(FMRP、FXR1和FXR2)等。YTH结构域蛋白是一类参与RNA代谢调控的蛋白质,能影响RNA的翻译、降解等处理过程,在调控RNA代谢、维持基因表达稳态等方面起着重要作用[16]。HNRNP家族蛋白广泛存在于真核生物中,主要参与mRNA的加工和转运,调节mRNA的转录后修饰、剪接、本体结构和核外定位等过程,在肿瘤的发生和发展中也发挥着重要作用,包括参与细胞增殖、分化和凋亡等生物过程[17]。IGF2BPs家族蛋白在肿瘤的发展过程中,调节m6A甲基化修饰的RNA的稳定性、转录和翻译,从而促进或抑制癌细胞的增殖、侵袭,决定癌细胞对放疗和化疗药物的反应性[18]。FMRP家族蛋白可以通过调节m6A甲基化修饰的RNA的稳定性、转录和翻译,对肿瘤细胞的增殖、侵袭、转移以及对放疗和化疗药物的反应性产生影响[19]。

二、m6A甲基化修饰与乳腺癌的关系

1.m6A甲基转移酶与乳腺癌:多项研究表明,m6A甲基化水平在肿瘤细胞中显著增强,并且与肿瘤发生、恶性转化、转移等严重影响患者预后的临床表现具有显著相关性[20]。在BC中,过度表达和特异性降解m6A甲基化酶,如METTL3、METTL14,或表达异常的WTAP和VIRMA等,均可以影响多个与BC相关的信号通路功能和基因表达。例如,METTL3可以调控BRCA1、MYC、EGFR等基因的表达和功能,影响BC的生长和转移;WTAP会促进BC细胞的肿瘤球形结构和抗药性;而VIRMA则能够影响HOXA10、CYP1B1、ERBB3等基因,进一步影响BC的发生和发展[21,22]。研究表明,不同的m6A甲基化酶在BC中表现不同的作用,如降低METTL3的表达可导致BC细胞凋亡率增加和转移抑制,另一项研究则显示METTL14的下调与BC患者的预后不佳密切相关。总的来说,m6A甲基化酶有机会成为BC潜在的治疗靶点,需要进一步研究解决一些尚未明确的问题,如各亚基之间是否存在协同效应,以及m6A甲基化酶在BC的治疗中的具体应用方式。

2.m6A去甲基化酶与乳腺癌:m6A去甲基化酶在BC的发生、发展过程中具有重要的生物学作用,研究表明,FTO在BC中的表达水平明显升高,与肿瘤的预后和恶性程度密切相关,高表达的FTO能够促进BC细胞的增殖、侵袭、转移和耐药性的发生[23]。ALKBH5在BC中的表达水平明显降低,其低表达会导致关键基因的m6A甲基化增加,促进肿瘤的生长、侵袭和转移[24]。关于ALKBH3和DIOX4在BC中的研究还比较有限,二者在BC中的具体作用尚不清楚,但一些初步的研究表明,ALKBH3和DIOX4可能参与了BC的发展和进展。FTO-2OG酸化酶家族是一个新发现的酶家族,其中包括ALKBH1、FTO3、ALKBH7等成员,与FTO具有相似的去甲基化修饰催化活性。研究发现,ALKBH1和ALKBH7在肿瘤细胞中表达水平明显增高,这可能和BC的发展和预后相关[25]。

3.m6A甲基识别蛋白与乳腺癌:YTH域家族蛋白在BC的发展中,例如,YTHDC1可以影响BC干细胞的自我更新和分化能力;YTHDF2通过调节m6A修饰的RNAs降解途径,并影响致癌基因MYC的表达,促进BC细胞增殖和侵袭;YTHDF1和YTHDF3则参与了调控BC细胞对化疗药物的敏感度。HNRNP家族蛋白可以通过调节m6A修饰RNA的稳定性、转录和翻译,促进或抑制BC的发生、发展。IGF2BPs家族在BC的进展中起到了重要作用,IGF2BP1被发现在BC中高表达,它能够通过调控m6A甲基化修饰的RNA的稳定性和转录,影响BC细胞的生长、转移和治疗反应性;IGF2BP3的表达在BC中明显上调,从而促进细胞的增殖、侵袭和转移。FMRP家族蛋白的高表达可以促进PI3K/Akt/mTOR信号通路的活化并抑制p53信号通路,增加癌细胞的生存和增殖[26]。同时,这些蛋白也能够调控多种关键基因如BRCA1、BCL2、CDK2、EGFR 和ERα等的转录和翻译,从而影响癌细胞的增殖、侵袭和对药物的反应性。

三、m6A甲基化修饰对乳腺癌中的调控作用

1.增殖和分化:近年来研究显示,m6A甲基化在BC增殖和分化中起着重要的调节作用。首先,m6A甲基化可以增强或者抑制关键基因的表达,从而影响细胞增殖和分化,已知METTL3在BC组织和细胞中上调,METTL3过表达可促进BC的发生和进展,METTL3蛋白敲除可降低甲基化水平,减少细胞增殖,加速凋亡[27]。其次,一些m6A修饰酶的异常表达也与BC的发生和发展相关,例如ALKBH5和METTL14等,其表达水平变化也会影响BC细胞的增殖和分化。Jin等[28]研究表明,m6A去甲基化酶ALKBH5通过调节YTHDFs-YAP信号通路和抑制细胞骨架动态稳定性来影响BC细胞的增殖和转移,该研究发现ALKBH5的表达水平在BC中降低,这会导致m6A甲基化水平升高、促进YAP的表达,从而促进BC细胞的增殖和转移。Gong等[29]研究表明,BC组织中存在两种抑癌基因METTL14和ZC3H13的表达下调,并预测预后不良。此外,m6A甲基化还可以影响RNA的代谢和转运,从而调节细胞增殖和分化的过程。例如,RNA结合蛋白YTHDF2和YTHDF3能够识别m6A修饰的RNA并介导其降解,从而调节细胞增殖[30,31]。这些研究表明,m6A甲基化参与调节BC细胞增殖和分化,作用复杂涉及到多种调节机制。并且METTL3和ALKBH5等m6A修饰因子在这个过程中起到了重要的作用。

2.转移和侵袭:m6A甲基化在BC转移方面发挥着重要的作用,不同的m6A修饰酶或者脱甲基化酶会对BC细胞的生长和恶性度产生不同的影响。在BC中,m6A甲基化通过调节RNA的剪接、稳定性和翻译等机制,影响了多种信号通路的表达和功能。这些信号通路包括细胞周期、细胞凋亡、转移和侵袭相关的信号通路等。研究表明,m6A甲基化可能通过增强BC细胞移动性和侵袭性,促进BC的转移。Niu等[32]研究发现,METTL3能够减少BC细胞的侵袭和迁移,在抑制m6A水平的基础上促进BNIP3(Bcl-2/adenovirus E1B 19kDa-interacting protein 3)mRNA的翻译,从而影响肿瘤生长和转移。这一研究揭示了m6A修饰在控制BC转移中的作用。此外,一些m6A甲基化酶和脱甲基化酶在BC中也发挥着重要作用。例如,m6A甲基化酶METTL3的过度表达与BC的转移和侵袭有关。研究发现,METTL3通过调控某些关键基因的m6A甲基化水平,影响了BC细胞的侵袭和转移过程,其过度表达可以促进BC干细胞的形成和转移[23]。

3.细胞耐药:近年来,m6A甲基化在BC细胞化疗耐药方面已经得到了广泛关注。在某些情况下m6A甲基化能够调节BC细胞的响应和抵御化疗药物。例如,Li等[33]在阿霉素耐药BC细胞中观察到高表达的METTL3,METTL3通过m6A介导在阿霉素耐药细胞中高表达,通过募集E2F1激活AGR2转录来增强BC细胞耐药性。此外,经阿霉素和顺铂处理后的MDA-MB-231细胞存活率显著降低,RNA m6A甲基化水平显著提升,主要表现为ALKBH5在细胞内的表达显著下降[34]。YTHDF1被认为是一种新的BC化疗耐药处理目标和被推测为具有肿瘤促进剂作用的分子,研究发现,YTHDF1在BC组织中有表达过量的现象,这可以促进DNA损伤修复,并提高、顺铂和奥拉帕尼等药物的耐药性,为了达到这个目的,YTHDF1加强了以METTL2为基础的E8F14 mRNA的稳定性[35]。研究表明,在 HER2阳性BC细胞中去甲基酶FTO的表达与曲妥珠单抗耐药有关,抑制FTO活性可以增强BC曲妥珠单抗耐药细胞株(BT474/TR)的药物敏感度[36]。虽然目前对m6A甲基化与BC细胞化疗耐药的关系的研究还处于相对初级的阶段,但是这些发现为开发新的治疗方法提供了一些线索。因此,针对m6A甲基化与化疗耐药之间的关系值得进行更加深入的研究。

4.预后:研究表明,m6A甲基化的存在与BC患者的预后密切相关。具体来说,一些研究表明,在BC中,m6A甲基化这种RNA修饰方式的增加与患者的生存率的下降相关。同时,一些研究还发现,BC中m6A甲基化相关基因的表达水平也能够影响患者的预后。例如,m6A甲基化酶METTL3和读取蛋白YTHDF1的表达水平升高可以预示BC患者预后不良,而去甲基化酶FTO的表达水平升高则与BC患者预后好相关,其下调表达与BC的预后不良相关。

四、展 望

在BC的研究中,m6A甲基化修饰已经被证明与该疾病的发生、发展和预后密切相关。m6A甲基化与BC细胞增殖分化、转移、耐药等多个方面都存在着紧密的关联。研究表明,m6A甲基化可以影响BC细胞增殖和分化,从而调节BC细胞的生长和扩散。同时,m6A甲基化也与BC细胞的转移和侵袭有关,可能通过改变肿瘤相关信号通路和增强肿瘤转移程序的激活来促进BC的转移。此外,m6A甲基化与BC耐药也有密切的关系,有研究发现,m6A甲基化水平的改变可以影响BC细胞对化疗药物的敏感度。最后,m6A甲基化还被证明可以用作BC患者预后的标志物,预测患者的生存率和复发率。总之,m6A甲基化是一个非常重要的RNA修饰方式,已被证明在BC中起着重要作用。深入研究m6A甲基化修饰的机制和作用,有助于更好地理解BC的发生和发展,为治疗BC提供新的靶点和策略。

利益冲突声明：所有作者均声明不存在利益冲突。