m-6A甲基转移酶METT...在胚胎发育中的作用研究进展_王璇璇.pdf
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1、第35卷 第6期2023年6月生命科学Chinese Bulletin of Life SciencesVol.35,No.6Jun.,2023文章编号:1004-0374(2023)06-0714-10DOI:10.13376/j.cbls/20230039收稿日期:2023-02-10;修回日期:2023-03-23基金项目:国家自然科学基金项目(81770165)*通信作者:E-mail:bs-;Tel:021-61900476m6A甲基转移酶METTL3在胚胎发育中的作用研究进展王璇璇1,2,3,4,韩兵社1,2,3,4*,张俊芳1,2,3,4(1 上海海洋大学,水产种质资源发掘与利用
2、教育部重点实验室,上海 201306;2 上海海洋大学,水产科学国家级实验教学示范中心,上海 201306;3 上海海洋大学,科技部海洋生物科学国际联合研究中心,上海 201306;4 临港新片区海洋生物医药科技创新型平台,上海 201306)摘要:胚胎发育调控机制是一个非常重要的生物学基础问题,而其中的表观遗传学机制成为最近的研究热点。研究发现,甲基转移酶样 3(methyltransferase-like 3,METTL3)催化产生的 m6A 修饰在卵母细胞成熟、母源-合子转化、胚胎干细胞命运调控以及血管生成等胚胎发育过程中发挥重要作用。同时,靶向METTL3 的化合物也不断被发现与合成,
3、有望应用于 m6A 相关疾病的靶向治疗。本文就 METTL3 的结构、催化机制、调控机制、在 RNA 代谢和胚胎发育中的作用以及 METTL3 靶向化合物进行介绍。关键词:RNA 甲基化;m6A;METTL3;胚胎发育中图分类号:Q75;Q954.4 文献标志码:AResearch progress on the role of m6A methyltransferase METTL3 in embryonic developmentWANG Xuan-Xuan1,2,3,4,HAN Bing-She1,2,3,4*,ZHANG Jun-Fang1,2,3,4(1 Key Laboratory
4、 of Ministry of Education for Exploration and Utilization of Aquatic Genetic Resources,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China;2 National Demonstration Center for Experimental Fisheries Science Education,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China;3 International Research Center of Minis
5、try of Science and Technology for Marine Biosciences,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China;4 Marine Biomedical Science and Technology Innovation Platform of Lin-gang Special Area,Shanghai 201306,China)Abstract:The regulatory mechanism of embryonic development is a very important fundamenta
6、l question in biology,and the role of epigenetic modification has become a recent research hotspot.Accumulating studies showed that m6A modification produced by methyltransferase-like 3(METTL3)plays important roles during embryonic development such as oocyte maturation,maternal-to-zygotic transition
7、,embryonic stem cell fate regulation and angiogenesis.Meanwhile,compounds targeting METTL3 have also been continuously discovered and synthesized,which are expected for targeting m6A-related diseases.In this paper,the structure,catalytic mechanism and regulatory mechanism of METTL3 are reviewed,its
8、function in RNA metabolism and embryonic development,and METTL3-targeted compounds are also introduced.Key words:RNA methylation;m6A;METTL3;embryonic development表观遗传学机制可以在不改变 DNA 序列的前提下,产生可以遗传给子代细胞或个体的基因表达模式改变。目前已经发现的表观遗传学机制包括DNA 甲基化、组蛋白修饰以及非编码 RNA 等,这些机制在各种生命活动中发挥重要作用1。前期的表观遗传学机制研究主要探索了 DNA 和不同组蛋白的
9、多种共价修饰在基因表达中的调控作用,近年来科学家发现 RNA 也可以发生各种共价修饰,如王璇璇,等:m6A甲基转移酶METTL3在胚胎发育中的作用研究进展第6期715甲基化、羟甲基化、乙酰化等。其中已经发现的RNA甲基化类型包括N6-甲基腺苷(N6-methyladenosine,m6A)、N1-甲基腺苷(N1-methyladenosine,m1A)、5-甲基胞嘧啶(N5-methylcytidine,m5C)和 N7-甲基鸟苷(N7-methyladenosine,m7G)等2。RNA 甲基化可以在多种生命活动中发挥作用,包括胚胎发育、DNA损伤修复、细胞应激、神经系统发育和癌症发生等3。
10、m6A 是真核细胞中常见的一种化学修饰,指RNA 分子腺嘌呤第六位 N 处发生甲基化。m6A 修饰可通过影响 mRNA 的剪接、出核、降解、稳定性和翻译等过程,进而影响基因的表达,调控多种生物学过程4。Desrosiers 等5在哺乳动物细胞mRNA 中首次发现 N6-甲基腺苷残基、N7-甲基鸟苷残基和 2-O 甲基核苷残基的存在。m6A 修饰可由甲基转移酶复合物(METTL3、METTL14、WTAP 和KIAA1429)生成,由去甲基化酶(FTO 和 ALKBH5)去除,并被结合蛋白(YTHDF13、YTHDC12 和hnRNP 家族蛋白)识别6。其中,甲基转移酶样 3(methyltra
11、nsferase-like 3,METTL3)在卵母细胞成熟、精子发生和母源-合子转化(maternal-to-zygotic transition,MZT)等胚胎发育过程中发挥重要作用。1METTL3的结构与催化机制METTL3 是第一个被发现与 m6A 修饰过程相关的甲基转移酶。1994 年,Bokar 团队利用 HeLa 细胞核提取物和牛催乳素 mRNA 组成的体外甲基化系统分离纯化出了 N6-腺苷甲基转移酶复合物,其主要由三种组分组成,相对分子质量分别为 30、200和 875 kDa。其中,200 kDa 组分的一个 70 kDa 亚基上含有 S-腺苷甲硫氨酸(S-adenosyl
12、methionine,SAM)结合位点,被称为 MT-A70(MT-A 亚单位,70 kDa),也就是现在所称的 METTL37。METTL3可与 METTL14 形成异源二聚体,再与 WTAP 结合形成 m6A 甲基转移酶复合物,METTL3 作为催化核心发挥作用(图 1)8-9。METTL3 的编码基因位于人类染色体 14q11.2处,该蛋白由前导螺旋结构域(LH)、核定位序列(NLS)、CCCH 型锌指结构域(ZFD)和甲基转移酶结构域(MTD)组成(图 2A)8-9。LH 含有疏水氨基酸残基,可能是 WTAP-METTL3 相互作用的部位9;NLS 介导 METTL3-METTL14
13、甲基转移酶异源二聚体入核;ZFD 作为识别域,特异性结合到含有5-GGACU-3 识别序列的 RNA 上,并与 METTL3-NLS:核定位序列;RRACH:m6A修饰主要发生序列;LH:前导螺旋结构域。图1 甲基转移酶复合体中METTL3、METTL14和WTAP的相互作用示意图生命科学第35卷716METTL14 的 MTD 共同进行催化10。MTD 可以和SAM 结合11。METTL3 在从酵母到人类的大多数真核生物中高度保守12,其磷酸化修饰位点在物种间也是保守的,分别位于 N 端 LH 附近(S2、S43、S48、S50)、中央 NLS 区域(S219)、ZFD 附近(S243)以及
14、 MTD 附近(T348、S350),磷酸化修饰可能对其活性起调节作用9。m6A 修饰在 mRNA 和非编码 RNA 中均可以发生,研究人员通过突变分析发现 m6A 修饰主要发生在RRACH共识基序中(其中,R=A/G,H=U/A/C)12。而 METTL3 和 METTL14 的 MTD 可以识别这些序列位点,利用甲基转移酶的催化活性将甲基从SAM 转移到腺苷上13。METTL3 催化位点内的保守序列 DPPW 基序中的 Asp 是引发甲基化的催化残基,MTD 在分子间结合界面附近有个大空腔,SAM 结合位点位于 MTD 内部空腔的一侧,空腔的其余部分可能用于识别 RNA 底物,组成该腔的氨
15、基酸序列在进化上高度保守11。2METTL3在RNA代谢调控中的作用及其功能调节2.1METTL3在RNA代谢调控中的作用METTL3 在 RNA 整个生命周期中扮演着重要角色,包括影响 RNA 稳定性、RNA 剪接、RNA翻译及出核等过程。目前已发现 METTL3 的多个RNA 底物,这些 RNA 底物的代谢受到 METTL3 的调控,进而影响肿瘤发生、炎症反应、昼夜节律、血管生成和胚胎发育等过程。2.1.1mRNA翻译METTL3 介导的 m6A 修饰对于 mRNA 翻译有多种调控机制。第一种调控机制主要与 YT521-B同源结构域家族蛋白 1(YT521-B homology domai
16、n family 1,YTHDF1)和翻译起始因子 3(eukaryotic initiation factor 3,eIF3)有关:YTHDF1 与 mRNA 3非翻译区(3UTR)中的 m6A 结合,并招募 eIF3 到5 端;利用闭环模型即 eIF4G-eIF4E-poly(A)结合蛋白(PABP)-poly(A)的相互作用,使 mRNA 的 5 和3 末端结合在一起,从而促进翻译14。第二种调控机制为 METTL3 直接与 eIF3 作用促进翻译15。另外有研究报道 METTL3 还可以在 mRNA 的编码区域进行甲基化修饰,通过减少核糖体停滞促进翻译16。METTL3 对于 mRNA
17、 的翻译调控具有双重作用。例如,METTL3 可以促进 TRAF6(TNF receptor associated factor 6)、MYC(MYC proto-oncogene,BHLH transcription factor)、BCL-2(B-cell lymphoma-2)mRNA 翻译17-20,也可以降低 ABCE1(ATP-binding cassette E1)、NLRP4E(NLR family pyrin domain containing 4E)、YWHAH(tyrosine 3-monooxygenase/tryptophan 5-monooxygenase acti
18、vation protein eta)mRNA 翻译速率21。2.1.2mRNA稳定性研究发现,METTL3 可以催化 mRNA 3UTRA:METTL3结构域和磷酸化位点;B:METTL3三维结构。LH:前导螺旋结构域;NLS:核定位序列;ZFD:CCCH型锌指结构域;MTD:甲基转移酶结构域;S2、S43、S50、S219、S243、T348、S350:磷酸化位点。图2 METTL3的结构域、磷酸化位点及三维结构王璇璇,等:m6A甲基转移酶METTL3在胚胎发育中的作用研究进展第6期717甲基化,增强 mRNA 稳定性22。但同时有研究发现,METTL3 也可以通过 YTHDF2(YT52
19、1-B homology domain family 2)降低 mRNA 稳定性23,其降解机制为:YTHDF2 的 C 末端结构域能够特异性地与含m6A 的 mRNA 结合,而 N 末端结构域则负责将YTHDF2-mRNA 复合物定位到 mRNA 降解位点,从而调节 mRNA 的降解24。此外,RNA 结合蛋白HuR、YTHDF1、IGF2BP2(insulin-like growth factor 2 mRNA-binding protein 2)可通过识别 METTL3 在mRNA 上不同区域产生的 m6A 位点,增强 mRNA的稳定性22,25-26。METTL3 对 mRNA 稳定性
20、的调控同样具有双重作用。METTL3 可增强 mRNA 的稳定性,上调MYC、VEGF-A(vascular endothelial growth factor A)、GATA3(GATA binding protein 3)、NANOG(Nanog homeobox)、SOX2(SRY-box transcription factor 2)、CDX2(caudal-type homeobox protein 2)和 SOX17(SRY-box transcription factor 17)mRNA 水平22,25-30;也可促进 ATG5(autophagy related 5)、SOCS
21、2(suppressor of cytokine signaling 2)、HOXA10(homeobox A10)mRNA降解22-23,31-32;此外,METTL3经SUMO(small ubiquitin-like modifier)化后可以上调环状RNA(circular RNA)circ_0000677 水平33。2.1.3mRNA剪接近年来研究发现,YTHDC1(也称剪切因子YT521)通过募集 pre-mRNA剪接因子SRSF3(serine and arginine rich splicing factor 3),同时抑制 SRSF10 的 RNA 结合活性,促进 SRSF3
22、 与靶向转录本结合,从而调节选择性剪接,该过程依赖于 METTL3 介导的 m6A 甲基化34。2.1.4mRNA出核在 HeLa 细胞中,YTHDC1 可介导甲基化 mRNA从细胞核输出到细胞质。敲降 YTHDC1 可导致甲基化 mRNA 的核积累,而 YTHDC1 的结合可促进转录本向细胞质的重新分布;YTHDC1 通过与 SRSF3和核输出衔接蛋白相互作用,促进 m6A 甲基化修饰的靶 mRNA 出核35。2.1.5miRNA加工METTL3 参与 microRNA(miRNA)的加工,主要通过促进 miRNA 成熟参与调控各种生理活动。研究人员发现哺乳动物细胞中的 METTL3 可以甲
23、基化标记 miRNA 初级转录本(pri-miRNA),敲降METTL3 可抑制 DGCR8(DiGeorge syndrome critical region gene 8)与 pri-miRNA 结合,导致成熟 miRNA减少,伴随未加工的 pri-miRNA 的积累36。香烟烟雾浓缩物(cigarette smoke condensate,CSC)可促进 METTL3 过表达,增强 miR-25-3p 的 m6A 修饰,促进其成熟37。另有研究表明,METTL3可增强DGCR8对 pri-miR-873 和 pri-miR221/222 的识别,促进成熟miR-873-5p 与 miR2
24、21/222 的产生38-39。METTL3 在 RNA 代谢中的功能总结见表 1。表1 METTL3在RNA代谢中的功能在RNA代谢中的功能 METTL3表达 RNA底物 生物学效应 参考文献促进mRNA翻译 TRAF6、MYC、BCL-2 促进炎症反应;抑制骨髓分化、17-20 囊肿生成;促进乳腺癌细胞 的增殖,抑制其凋亡 抑制mRNA翻译 ABCE1、NLRP4E、YWHAH 抑制卵母细胞成熟,导致母源-21 合子转化缺陷 提高mRNA水平 MYC、VEGF-A、GATA3、介导膀胱癌细胞的增殖;促进 22,25-30,33 NANOG、SOX2、CDX2、肿瘤血管生成;导致胚胎发 SO
25、X17、Circ_0000677 育缺陷;促进胶质母细胞瘤 和结直肠癌发生 降低mRNA水平 ATG5、SOCS2、HOXA10 促进囊胚发育;促进肝癌发生;22-23,31-32 不利于胚胎体外植入 干扰mRNA选择性剪接 34干扰mRNA出核 PER2和ARNTl 延长昼夜节律周期 40促进miRNA成熟 miR-25-3p 促进胰腺癌发展 37-39 miR-873-5p 减少氧化应激与细胞凋亡 miR221/222 促进膀胱癌细胞增殖 注:表示METTL3表达上调,表示METTL3表达下调。生命科学第35卷7182.2METTL3的功能调节METLL3 可以被磷酸化、乙酰化与类泛素化修
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