m6A修饰在脊髓损伤恢复中的研究进展.pdf
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1、实用医学杂志 2023年第39卷第20期 The Journal of Practical Medicine 2023 Vol.39 No.20m6A修饰在脊髓损伤恢复中的研究进展张东旭 赵欣华 蒋焕莹 周立新 孙忠人 尹洪娜黑龙江中医药大学附属第二医院针灸七科(哈尔滨150006)【摘要】脊髓损伤是一种严重的中枢神经系统疾病,常引发运动功能障碍,并伴有多种严重并发症,严重影响患者生存质量。N6-甲基腺苷是发生于腺苷N6位点上的甲基化修饰,又称m6A甲基化修饰,因其在神经系统疾病诊断和治疗中的巨大潜力而被广泛关注。m6A修饰由甲基转移酶催化,去甲基化酶去除,甲基识别蛋白识别,其相关调节蛋白能够
2、通过多种途径影响脊髓损伤及其继发损伤的发生发展。目前为止,m6A修饰在脊髓损伤中的作用机制尚未完全阐明。本文主要对m6A甲基化修饰的基本功能,及其在脊髓损伤中的作用及机制进行综述。【关键词】N6-甲基腺苷;脊髓损伤;RNA修饰【中图分类号】R744Research progress of m6A modification in spinal cord injury recoveryZHANG Dongxu,ZHAO Xinhua,JIANG Huanying,ZHOU Lixin,SUN Zhongren,YIN Hongna.Acupuncture and Moxibustion Depar
3、tment VII,the Second Affiliated Hospital of Heilongjiang University of Chinese Medicine,Harbin 150006,China Corresponding author:YIN Hongna Email:【Abstract】Spinal cord injury(SCI)is a serious disease of the central nervous system(CNS),which often leads to motor dysfunction and is associated with a v
4、ariety of serious complications,seriously affecting the quality of life of patients.N6-methyladenosine(m6A)is a methylation modification that occurs at the N6 site of adenosine,also known as the m6A methylation modification,which is of great interest because of its great potential for diagnosis and
5、treatment of neurological diseases.m6A modifications are catalyzed by methyltransferases,removed by demethylases,recognized by methyl-recognition proteins,and its associated regulatory proteins can affect the development of SCI and its secondary damage through various pathways.Up to now,the mechanis
6、m of m6A modification in SCI has not been fully elucidated.In this paper,we review the basic functions of m6A modification and its role and mechanism in SCI.【Key words】N6-methyladenosine;spinal cord injury;RNA modification脊髓损伤(SCI)是一种严重的中枢神经系统(CNS)损伤疾病,常导致患者损伤平面以下的运动、感觉及自主神经功能障碍1。SCI按发病机制可分为原发性和继发性(
7、SSCI)两类,其中原发性SCI为外伤及暴力等造成的血管结构损伤、轴突破裂等机械性损伤;SSCI 则常因原发性 SCI 产生的位移、血肿、压迫等未及时解除,导致损伤部位产生如炎症、细胞凋亡、胶质瘢痕等持续性病理改变2。这种由SSCI产生的不利于神经功能恢复的微环境也是 SCI 后难以恢复,具有较高的致残率的原因,故对于SSCI的治疗是SCI恢复的关键3。N6-甲基腺苷(m6A)是真核生物必不可少的转录修饰4,已证实与神经系统疾病的病理发展密切相关5。研究6发现,SCI后损伤部位m6A的修饰水平发生了变化,m6A相关调节因子参与了SSCI 后损伤部位微环境的发展与变化。因此,m6A修饰相关调节因
8、子可能是促进SCI恢复的潜在治疗靶点。本文就m6A参与的SCI恢复的可能机制研究现状进行综述,以期为 SCI 的治疗提供新思路。1m6A修饰Conrad Waddington于1942年首次提出表观遗传修饰的概念7,这种修饰方式可通过一些化学修饰,在不改变基因序列的情况下,通过 DNA、RNA、蛋白质三个层面的修饰,调控基因的表达。其中 RNA 的化学修饰则被证实较多参与了 CNS疾病的病理过程8。在已知的170多种RNA修饰中,m6A修饰具有高度动态性和选择修饰性,可通过翻译、剪切、降解及稳定性的变化决定 RNA 的综 述doi:10.3969/j.issn.1006-5725.2023.2
9、0.021基金项目:国家自然科学基金面上项目(编号:81873378)通信作者:尹洪娜 E-mail:2676实用医学杂志 2023年第39卷第20期 The Journal of Practical Medicine 2023 Vol.39 No.20命运9。m6A修饰这一过程是动态的、可逆的、保守的,依赖多种相关蛋白及酶,主要为甲基转移酶、去甲基酶、m6A结合蛋白三类10。近年来,随着测序技术的发展,大量研究表明,m6A修饰在一些疾病进展中发挥重要的作用。2m6A修饰的多维机制2.1甲基转移酶细胞内 RNA 的甲基化通常需要各种酶的共同催化,这些酶被称为“Writers”。作为 m6A 修
10、饰中的“编码器”,甲基转移酶复合物,包括甲基转移酶样 3(METTL3)及甲基转移酶样14(METTL14)及其他相关酶,如肾母细胞瘤相关蛋白1(WTAP)11。自1997年METTL3首次发现以来,其一直被广泛研究,已知是甲基酶复合物的催化核心,能通过稳定募集到特定的基因位点和促进 RNA 转运到核糖体影响翻译效率进而影响基因表达12。另一种酶 METTL14 虽不具有催化作用,但其可与METTL3起协同作用,一方面与METTL3形成二聚体的稳定复合结构;另一方面可通过与RNA底物结合起到增加METTL3甲基转移酶活性的作用13。除了METTL3和14,WTAP的作用也值得探讨。WTAP在甲
11、基化酶复合物中发挥调节作用,将复合物与RNA连接起来,WTAP的缺失会导致异常的基因表达和可变剪接14。2.2去甲基酶m6A去甲基化酶可以从核苷酸中去除甲基,通常称为“Erasers”,其发现表明RNA的m6A 修饰是动态并可逆转的10。肥胖相关蛋白(FTO)和ALKB同系蛋白5(ALKBH5)是常见的“解码器”,可以有效降低m6A修饰水平。FTO是第一个被发现的去甲基酶,其对于m6A修饰的去除是通过氧化反应实现的,并在mRNA的降解、翻译中发挥重要作用15。研究16还发现,FTO 参与了不同情况下的神经系统疾病的病理发展。ALKBH5是另一种能够逆转 m6A 修饰的酶,研究17发现ALKBH
12、5的失活可导致mRNA上的m6A水平显著升高。此外,ALKBH5也与转录后RNA调节有关,可紧密地与 RNA 底物结合,影响 RNA 的表达水平18。2.3m6A 结合蛋白作为 m6A 修饰中的“读码器”,这些结合蛋白可以与m6A修饰位点结合直接或间接影响 RNA 翻译、剪接和解体等生物过程,常被称为“Readers”。其中值得关注的是YT521-B同源结构域家族蛋白(YTHDFs、YTHDCs)、异质核糖核蛋白(HNRNPs)和胰岛素样生长因子 2(IGF2)。YTH 家族因其特有的 RNA 结合位点可直接调控位于细胞核及细胞质中的 m6A 修饰靶基因,进而对RNA产生影响19;HNRNP家
13、族则可通过调控位于细胞核中RNA底物的成熟过程,从而影响目标 RNA 的丰度和剪接20。IGF2 是最新研究发现的m6A结合蛋白,可以保护m6A修饰的mRNA免于降解21。上述结合蛋白都在与m6A修饰的甲基化位点结合后,识别并解析其相关生物功能的指令,进而发挥对下游分子的调控作用。见图1。3m6A修饰在SCI后的生物学作用及机制3.1m6A修饰与炎症SCI后损伤部位的炎症微环境对预后的影响不容忽视,作为 SCI 后最早做出反应的免疫细胞,小胶质细胞参与了激活炎症的级联反应,加重了继发性损伤,是影响SCI后炎症的关键因素22。小胶质细胞具有促炎型M1和抗炎型M2两种表型。SCI 常促使小胶质细胞
14、向 M1 型极化23。M1 型小胶质细胞在发挥防御作用的同时,也会加重神经炎症和神经细胞损伤,影响神经功能的恢复24。因此,对于小胶质细胞极化的调控可能有助于神经恢复并减轻继发性损伤。研究发现m6A 修饰在小胶质细胞极化中可能起到了关键作用。ZHOU 等25的研究发现,对于 m6A 读取器YTHDC1 的特异性敲除导致了小胶质细胞向 M1型极化,促进了炎症反应。WEN等26的研究发现,过表达METTL3可促使小胶质细胞向M1型极化,其机制可能是METTL3以m6A依赖的方式激活了TRAF6-NF-B 通路,导致小胶质细胞向促炎型转化,并产生炎性反应。DING等27的研究发现,IGF2BP1是控
15、制小胶质细胞过度激活的潜在治疗靶点,其可通过与靶标3 UTR结合加强m6A修饰水平调节小胶质细胞的炎性反应。此外,另一项研究28通过生物信息学的方式发现 M0、M1、M2三种表型小胶质细胞中 lncRNA 的 m6A 修饰水平存在差异,且 M1 型在 m6A 修饰中表现出最显著的变化,这些具有修饰差异的 lncRNA 可以通过改变各种免疫系统和信号转导过程来调节小胶质细胞的炎症反应。研究28发现,m6A修饰与调节小胶质细胞炎症反应的基因表达同样具有动态、复杂的关系。综上,m6A 修饰可通过多种途径对小胶质细胞表型产生影响,而通过对m6A水平的调控可能减轻 SCI 损伤部位的炎性反应,但目前对于
16、 SCI 后特定调节因子、细胞表型及机制联系的研究仍处于初始阶段,未来可于此方向进一步研究。3.2m6A 修饰与细胞凋亡细胞凋亡是神经系统中细胞程序性死亡的一种常见形式29。神经元细胞凋亡是 SSCI 造成脊髓神经元死亡的主要原2677实用医学杂志 2023年第39卷第20期 The Journal of Practical Medicine 2023 Vol.39 No.20因,常在SCI后24 h内大量发生30。因此,抑制细胞凋亡对于减轻继发性损伤及帮助神经功能重建至关重要。最近研究发现,m6A甲基化修饰与细胞凋亡关系密切。一项大脑中动脉闭塞(MCAO)大鼠的研究31中发现,m6A 读取器
17、 YTHDF1 在 MCAO 大鼠脑组织中表达上调,对于 YTHDF1 特异性敲除不但减轻了损伤脑组织的细胞凋亡和神经元损伤,还限制了梗死面积。此外,METTL3对于细胞凋亡的影响同样值得注意,METTL3 特异性失活诱导的m6A 修饰会使小鼠新生小脑颗粒细胞大量凋亡,从而导致小脑发育不良32;小鼠海马体中的METTL3缺乏则会增加局部细胞凋亡并改变细胞周期33。WANG等34的研究发现,SCI后大鼠RNA中METTL14含量及m6A修饰水平显著升高,但抑制损伤局部METTL14表达可降低大鼠的整体m6A修饰水平,并且观察到神经元兴奋性的增加及大鼠运动功能的恢复。此外,该研究还通过体外实验发现
18、,METTL14 的过表达促进了 pri-miR-375 向抑制细胞增殖的 miR-375 的转化,从而诱导了细胞凋亡34-35。另一项研究36发现,真核蛋白翻译延伸因子1A2(EEF1A2)的表达对于细胞凋亡具有抑制作用,但 SCI 后 METTL14 的表达上调并通过介导EEF1A2的m6A修饰水平,下调了EEF1A2的表达,从而促进了 SCI 后的细胞凋亡。GAO 等37的研究通过沉默METTL14发现,SCI大鼠EEF1A2表达上调,抑制了损伤部位细胞凋亡的同时还减少炎症细胞因子的产生及脊髓中的神经元变性。通过上述研究可发现,甲基转移酶在抑制 SCI 后细胞凋亡中有着不可替代的作用,可
19、最大程度降低继发性损伤带来的细胞死亡,通过甲基转移酶调控损伤部位m6A修饰水平有望成为SCI靶向治疗的新方向。3.3m6A修饰与胶质瘢痕SCI后星形胶质细胞活化为反应性星形胶质细胞,胞体肥大、增殖,并向损伤部位迁移,形成胶质瘢痕38。这种瘢痕早期可限制炎症扩散,而随着疾病进展,胶质瘢痕形成物理屏障,并释放轴突生长抑制因子,影响了神经功能的恢复39-40。因此,探究 m6A 修饰对于胶质瘢痕形成的影响可能为SCI的治疗开辟新的研究领域。最近的研究发现,m6A 修饰可以调节星形胶质细胞的生理功能。TENG等41的研究发现,在脑黑质中特异性敲除METTL14后,黑质中mRNA 的总m6A修饰水平显著
20、降低,并激活了星形胶质细胞,使小鼠的运动功能显著下降。HUANG等42的研究发现 circSTAG1 是重度抑郁症小鼠海马中表达显著下调的一种circRNA,其可通过与ALKBH5结合,降低 ALKBH5 介导的脂肪酸酰胺水解酶(FAAH)mRNA的m6A修饰水平,从而限制星形胶质细胞中 FAAH 的表达,达到减轻小鼠海马中星形胶质细胞功能障碍、减少星形胶质细胞丢失的图1m6A修饰机制图Fig.1Mechanism diagram of m6A modification2678实用医学杂志 2023年第39卷第20期 The Journal of Practical Medicine 2023
21、 Vol.39 No.20作用。对于SCI后星形胶质细胞及胶质瘢痕的影响,GE等43的研究表明,相较于单纯SCI模型组,选择性删除 METTL3 的 SCI 模型组星形胶质细胞标志物胶质纤维酸性蛋白(GFAP)表达降低,证明损伤部位反应性星形胶质细胞的数量降低,抑制了胶质瘢痕形成。XING等44的研究发现,SCI后METTL3在星形胶质细胞中的表达显著增加,这可能对星形胶质细胞的形态和功能产生了影响,但对于METTL3的变化对胶质瘢痕的影响还需进一步实验阐明。另一项体外实验34发现,在用H2O2模拟 SCI 诱导的细胞凋亡后,METTL14 敲除显著减少了C8-D1A小鼠星形胶质细胞的细胞凋亡
22、,这意味SCI后m6A的修饰水平与星形胶质细胞的存亡密切相关,而对 m6A 修饰水平的影响可能对SCI后胶质瘢痕的形成产生调控作用。总之,SCI后损伤部位m6A修饰水平的异常变化可能激活了星形胶质细胞,并于损伤部位生成胶质瘢痕,导致神经功能的恢复受到抑制,但由于此方面研究仍较少,m6A 修饰与 SCI 后胶质瘢痕的关系仍需进一步深入探究。3.4m6A修饰与轴突再生SCI后运动功能障碍的主要原因是神经环路连续性被破坏45。轴突作为神经传导功能的重要因素,促进轴突再生及髓鞘化是神经环路重建的关键46。既往研究47寄希望于移植外源细胞促使其向神经元转化来修复神经环路。最近对 m6A 修饰的研究发现
23、RNA 修饰可以影响轴突再生。在神经系统中,神经元轴突的再生受到 m6A修饰的影响。YU等48研究表明,正常状态下FTO即在神经元的轴突中表达以维持轴突中 m6A 修饰水平的稳定,将轴突中 FTO 特异性敲除后,与神经元发育及轴突生长关系密切的生长相关蛋白43(GAP-43)mRNA 的 m6A 修饰水平显著升高,从而减少了 GAP-43 mRNA 的局部翻译并抑制了轴突生长。此外,YTHDF1 和 YTHDF2 则被证明分别作用于Wnt5a信号通路的两个关键因子Wnt家族成员 5A(Wnt5a)和散乱片段极性蛋白 1(Dvl1)而后协同起到对轴突生长的负调控作用,而抑制YTHDF1 及 YT
24、HDF2 的表达可以促进颗粒细胞中的轴突生长49。ZHUANG 等50研究发现 YTHDF1介导的 m6A 修饰对轴突导向受体 3.1(Robo3.1)mRNA的翻译起到正向调控的作用,抑制Robo3.1蛋白水平在交叉后的轴突中降低,从而控制脊髓中的预交叉轴突导向。在一项斑马鱼和小鼠的SCI 实验44中,研究人员对损伤部位组织进行MeRIP-seq、RNAseq等测序技术后发现,共计84个基因的 mRNA 在 SCI 后 m6A 修饰水平显著改变,这样的数量虽然不算庞大,但其中如 hsp90ab1、taf1、igf2bp1 及 tp53 等均已被证明在轴突生长和神经元发展中发挥重要作用,提示m
25、6A修饰可能参与了 SCI 后轴突及神经元的生长发育,这是关于RNA m6A 修饰在 SCI 中的作用的首次研究。此外,SCI 后对轴突生长特异性标记的抗乙酰化微管蛋白(AcTub)表达下调,说明轴突生长受到抑制,而对 METTL14 进行敲除后 AcTub 的表达显著上调,这表明 METTL14 对 SCI 后轴突生长具有调控作用34,51。总之,轴突再生是神经环路重建的关键,也是 SCI 患者功能恢复的关键,m6A 修饰可能是促进 SCI 后轴突再生的潜在机制,调控 m6A修饰水平的同时若可配合电针等针灸疗法,可能对于患者的功能恢复产生意想不到的效果。见图2、表1。4总结与展望作为RNA表
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