汪居安 郭钊辰 综述 鲍 浩 审校

摘 要 RNA修饰是在碱基的不同原子上的化学修饰,迄今为止,已鉴定出超过170种RNA化学修饰。越来越多的研究表明,RNA修饰在肾脏疾病的发生、发展和转归中起着不可或缺的作用。全面了解肾脏病中的RNA修饰有助于理解肾脏病的发病与转归机制。本文总结了常见的4种RNA修饰:N6-甲基腺苷(m6A)修饰、5-甲基胞嘧啶(m5C)修饰、腺苷-肌苷(A-to-I)编辑和假尿苷(Ψ)的基本概念及其在肾脏疾病中的调节作用,旨在为临床和基础研究提供参考。

关键词 RNA修饰 N6-甲基腺苷修饰 5-甲基胞嘧啶修饰 腺苷-肌苷编辑 假尿苷 肾脏病

RNA modification and kidney disease

WANG Juan, GUO Zhaochen, BAO Hao

National Clinical Research Center for Kidney Diseases, Jinling Hospital, Affiliated Hospital of Medical School, Nanjing University, Nanjing 210016, China

ABSTRACT RNA modification is a chemical modification that occurs at different atoms of a base, and more than 170 modifications have been identified on RNA to date. A growing body of research has shown that RNA modification plays an indispensable role in the occurrence, development and prognosis of kidney disease. A comprehensive understanding of RNA modification in kidney disease can help us understand the pathogenesis and prognosis of kidney disease. This article summarizes basic concept and regulatory role of four common RNA modifications: N6-methyladenosine (m6A) modification, 5-methylcytidine (m5C) modification, adenosine to inosine (A-to-I) editing, and pseudouridylation(Ψ), aiming to provide reference for clinical and basic research.

Key words RNA modification N6-methyladenosine 5-methylcytidine adenosine to inosine editing pseudouridylation kidney disease

肾脏能调节水、电解质和其他重要物质的平衡,具有各种内分泌功能,是人体平衡的关键器官。急性肾损伤(AKI)和慢性肾脏病(CKD)等肾脏疾病已成为重要的临床问题和全球公共卫生问题,估计影响全球超过7.5亿人[1]。越来越多的研究表明,RNA修饰在肾脏疾病的发展中起着不可或缺的作用。RNA修饰是在碱基的不同原子上发生的化学修饰,迄今为止,已鉴定出超过170种RNA化学修饰,如N6-甲基腺苷(m6A)修饰、5-甲基胞嘧啶(m5C)修饰、N1-甲基腺苷(m1A)修饰、N7-甲基鸟苷(m7G)修饰、腺苷-肌苷(A-to-I)编辑和假尿苷(Ψ)等,其分布位点涉信使RNA(mRNA)、非编码RNA(ncRNA)和不同类型的碱基(A、C、G、U),并以mRNA最常见。根据其功能,RNA修饰的表观遗传标记可分为三种不同类别的蛋白质介导:“书写者”“读取者”和“擦除者”,作为一个复杂的整体,动态调节RNA定位、剪接、翻译和降解,进而影响RNA功能和疾病。全面了解肾脏病中的RNA修饰有助于我们理解肾脏病的发病与转归机制。本文总结了常见的4种RNA修饰(m6A、m5C、A-to-I和Ψ)在肾脏疾病中的调节作用,旨在为临床和基础研究提供参考。

m6A是真核生物最常见和研究最多的RNA修饰,是一种动态可逆的修饰过程,与m6A相关的酶主要分为三类:甲基转移酶(METTL,即“书写者”)、m6A识别蛋白(即“读取者”)和去甲基化酶(即“擦除者”)[2-3]。甲基化的完成是由甲基转移酶复合体(MTC)介导的,由三个核心组件组成:METTL3、METTL14和Wilms肿瘤1相关蛋白(WTAP)。去甲基化酶可逆转甲基化的过程,主要包括ALKB同源物5(ALKBH5)和脂肪量与肥胖相关蛋白(FTO)。“读取者”是m6A修饰的执行者,主要可分为三大类,在调节mRNA稳定性、mRNA剪接、mRNA结构、mRNA出核、翻译效率和miRNA生物发生和成熟上发挥重要作用。第一类为YT521-B同源性(YTH)结构域家族蛋白,包括YTH N6甲基腺苷RNA结合蛋白1-3(YTHDF1-3)和YTH结构域1-2(YTHDC1-2)。第二类包括胰岛素样生长因子2 mRNA结合蛋白(IGF2BP)和IGF2BP1-3,是选择性结合m6A来修饰RNA 所必需的。第三类包括一组异质核核糖核蛋白(hnRNP),可识别m6A沉积诱导的重塑后的局部RNA结构来发挥生物学调控作用。图1展示了4种RNA修饰及其主要的酶,参与m6A修饰相关蛋白的功能总结在表1中。

表1 m6A修饰主要蛋白的功能

m6A:N6-甲基腺苷;METTL:甲基转移酶;WTAP:Wilms肿瘤-1相关蛋白;ZCCHC4:锌指CCCH包含蛋白4;VIRMA:vir样m6A甲基转移酶;RBM:RNA结合基序蛋白;ZC3H13:锌指 CCCH结构域包含蛋白13;ALKBH:ALKB同源物;FTO:脂肪量与肥胖相关蛋白;YTHDF:YTH N6甲基腺苷RNA结合蛋白;YTHDC:YTH结构域;IGF2BP:胰岛素样生长因子2 mRNA结合蛋白;elF3:真核翻译起始因子3;hnRNP:异质核核糖核蛋白

m6A:N6-甲基腺苷;m5C:5-甲基胞嘧啶;I:核苷酸腺苷;Ψ:假尿苷;METTL:甲基转移酶;WTAP:Wilms肿瘤1相关蛋白;ZCCHC4:锌指CCCH包含蛋白4;IGF2BP:胰岛素样生长因子2 mRNA结合蛋白;hnRNP:异质核核糖核蛋白;ALKBH:ALKB同源物;FTO:脂肪量与肥胖相关蛋白;DNMT2:DNA甲基转移酶2;NSUN1-7:RNA甲基转移酶1-7;ALYREF:Aly/Ref出核因子;YBX1:Y-box结合蛋白1;ADAR:作用于RNA的腺苷脱氨酶;ADAT:作用于tRNA的腺苷脱氨酶;DKC1:假尿苷合成酶1;PUS:假尿苷合酶;RPUSD:RNA假尿苷合酶结构域包含蛋白

m6A与肾小球疾病   糖尿病肾病(DN)与m6A之间存在密切的关系。已证明METTL3为维持胰岛β细胞功能所必需,在炎症和氧化应激条件下METTL3下调,使胰岛素分泌相关基因的修饰和表达减少,诱导β细胞衰竭和高血糖[4]。动物实验证明,METTL3通过YTHDF1促进核受体结合SET结构域蛋白2(NSD2) mRNA稳定性以缓解DN的进展,METTL3过表达在体内和体外缓解肾功能损害和纤维化[5]。此外,METTL3介导的m6A修饰是DN中足细胞损伤的重要机制。研究发现,组织金属蛋白酶抑制剂2(TIMP2)是DN中METTL3的关键下游靶标沉默因子,TIMP2显著降低Notch通路的激活,从而减轻诱导的足细胞损伤[6]。METTL14也可作为DN中的干预m6A的靶标:同源性磷酸酶-张力蛋白(PTEN)是磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B(PI3K/Akt)通路的负调节因子,METTL14过表达可增加PTEN的表达,导致高糖处理的HK2细胞中PI3K/Akt信号通路失活,从而改善肾小管细胞中高糖诱导的上皮-间充质转化[7]。α-klotho是一种抗衰老基因,是DN中METTL14的下游靶标,METTL14过表达以m6A依赖性方式下调α-klotho表达加重肾小球内皮细胞损伤和肾脏损伤[8]。狼疮肾炎(LN)的发病机制也与m6A修饰密切相关,通过生物信息学的方法构建出由6种m6A相关分子METTL3、WTAP、YTHDC2、YTHDF1、脆性X智力迟钝蛋白1(FMR1)和FTO组成的诊断模型,得以区分LN和健康个体[9]。一些证据也表明,ALKBH5可能是系统性红斑狼疮(SLE)发病机制的关键调节分子,YTHDF2表达降低与SLE疾病活动度之间的潜在联系,它们与LN的关系值得进一步研究与探索[10]。在局灶节段性肾小球硬化(FSGS)和DN患者的肾活检样本中,以及体外阿霉素或晚期糖基化终产物刺激的人足细胞中,METTL14也明显增加[11]。

m6A与CKD   血管钙化是CKD常见的并发症,随着CKD患者血管钙化程度加重,外周血白细胞m6A程度降低[12]。在另一项研究中[13],CKD患者的白细胞m6A丰度显著降低,RNA去甲基化酶FTO蛋白表达水平升高,尿毒症毒素吲哚酚硫酸盐通过调节RNA中的FTO和m6A修饰来激活自噬,而自噬已被证明与CKD的进展相关;该研究中还发现敲除FTO或通过3-脱氮腺苷抑制m6A可阻断吲哚酰硫酸盐对细胞自噬活化的影响,这为CKD相关细胞功能障碍的潜在机制提供了新的见解,靶向RNA m6A修饰可能是治疗CKD和自噬的新策略。肾脏纤维化是导致CKD的重要因素,长链非编码RNA(lncRNA)在人类疾病的生理和病理进展中起着重要作用,研究表明m6A诱导的 lncRNA转移相关肺腺癌转录本1(MALAT1)通过微小RNA-145(miR-145)/黏着斑激酶(FAK)通路加重梗阻性肾病的肾脏纤维化[14]。METTL3 还被证实可促进miR-21-5p的表达,进而激活侧枝发芽因子同源物1/细胞外调节蛋白激酶/核因子-κB(SPRY1/ERK/NF-κB)通路以诱导肾脏炎症和纤维化[15]。

m6A与AKI   在顺铂引起的AKI中,研究发现顺铂抑制FTO表达,上调 METTL3和METTL14,从而增加m6A甲基化并上调P53蛋白,通过P53介导的Bax/Bcl-2和 Caspase3途径加剧顺铂诱导的肾脏损伤[16]。近年的研究表明,METTL3和 METTL14与缺血再灌注损伤(IRI)导致的AKI密切相关。随着METTL3表达水平的上调,叉头盒D1(Foxd1)增加了 RNA m6A 水平,导致其RNA表达下调,从而促进IRI的进展[17]。METTL14敲低可保护肾脏在体外和体内免受IRI的侵害,其机制是通过抑制Yes相关蛋白1(YAP1),一种参与急性 IRI 后的肾脏再生和纤维化的蛋白,控制IRI的进展[18]。在脓毒症相关的AKI中,抑制IGF2BP1可能是脓毒性AKI 的一种基于焦亡的治疗方法[19]。

靶向m6A药物 靶向RNA m6修饰可能是治疗肾脏疾病的重要前景方向,图2概括了m6A修饰及其调控肾脏病的机制。靶向m6A修饰的分子抑制剂研发也取得了重大进展。遗憾的是,靶向m6A的小分子或合成化合物大都应用于肿瘤领域,很少应用于肾脏疾病,迄今为止也未应用于临床(表2)。期待更有针对性的基础与临床试验,利用m6A甲基化相关酶治疗肾脏疾病。

表2 靶向m6A的小分子或药物

m6A:N6-甲基腺苷;METTL:甲基转移酶;MTC:甲基转移酶复合体;FTO:脂肪量与肥胖相关蛋白;IGF2BP:胰岛素样生长因子2 mRNA结合蛋白;YTHDF:YTH N6甲基腺苷RNA结合蛋白

图2 m6A修饰示意图及其调控肾脏疾病的机制

SAM:S-腺苷甲硫氨酸;METTL:甲基转移酶;WTAP:Wilms肿瘤1相关蛋白;ZC3H13:锌指CCCH结构域包含蛋白3;VIRMA:vir样m6A甲基转移酶;RBM15:RNA结合基序蛋白15;eIF3:真核翻译起始因子3;ALKBH5:ALKB同源物5;FTO:脂肪量与肥胖相关蛋白;SAM:S-腺苷甲硫氨酸;IGF2BP:胰岛素样生长因子2 mRNA结合蛋白;hnRNPA2/B1:异质核核糖核蛋白A2/B1;hnRNPC:异质核核糖核蛋白C;YTHDF:YTH N6甲基腺苷RNA结合蛋白;YTHDC:YTH结构域;mRNA:信使RNA;miRNA:小RNA;AKI:急性肾损伤;DN:糖尿病肾病;CKD:慢性肾脏病;OGD:其他肾小球疾病;LN 狼疮肾病;FSGS:局灶节段性肾小球硬化;图中肾脏左侧为m6A修饰过程的示意图;图中肾脏右侧为m6A调控疾病机制,其中:绿色代表表达上调或生物学行为加重,蓝色代表表达下调或生物学行为减轻,红色边框代表目前可以靶向m6A调控的蛋白靶点

m5C是指插入胞苷第五位碳原子中的甲基(图1),也由三种酶调控[3]。书写者主要包括DNA甲基转移酶2(DNMT2)和NOP2/SUN RNA甲基转移酶家族成员(NSUN)。后者主要包括NSUN1-7。Aly/Ref出核因子(ALYREF)和Y-box结合蛋白1(YBX1)是m5C的主要读取者。然而,关于m5C擦除者的存在尚存在争议,10/11易位家族蛋白(TET)和ALKB同源物1(ALKBH1)被报道可能分别是mRNA和tRNA的去甲基化酶。

在CKD所致左心室舒张功能障碍(CKD-LVDD)的猪心脏[26]中,5mC免疫沉淀和mRNA测序显示,与正常对照组相比,CKD-LVDD 心脏中5mC水平发生了显著变化,261个基因5mC水平上调,主要与血管内皮生长因子(VEGF)介导的血管生成信号传导有关;162个基因5mC水平下调,主要为编码与多种细胞信号转导相关的激酶。肾脏是SLE最易受累的器官,在疾病活动的SLE中,研究显示CD4+T细胞中的m5C水平降低,并揭示出m5C在介导SLE的发作和缓解中起关键作用, m5C在LN中作用值得进一步研究[27]。

在人类中,最常见的RNA编辑类型是腺嘌呤(A)脱氨为肌苷(I)[3],由作用于RNA的腺苷脱氨酶(ADAR)家族的三种酶主导:具有催化活性的ADAR1、ADAR2及催化失活的ADAR3。另外两种酶,作用于tRNA的腺苷脱氨酶2(ADAT2)和ADAT3作为复合体来编辑特定tRNA。

载脂蛋白L1(APOL1)相关肾脏疾病发生的因素尚不明确,研究表明ADAR介导的A-to-I编辑修饰抑制了炎症途径介导的APOL1基因表达,APOL1的mRNA如果不通过ADAR编辑修饰,就会引发炎症,并且可影响APOL1相关肾脏疾病的外显率和严重程度[28]。一项尚未经过同行评审的研究发现[29],抗酶抑制剂1 (AZIN1)上的A-to-I编辑不仅增强了多胺的生物合成,而且还参与糖酵解和烟酰胺生物合成以驱动恢复表型,考虑到A-to-I编辑现象具有高度的可重复性和定量性,量化 AZIN1 A-to-I编辑可能会帮助识别已过渡到内源性恢复阶段的个体,值得研究者进行深入、细致地探索。

Ψ是尿苷的C5-糖苷异构体(图1),可通过RNA非依赖性和依赖性机制实现假尿苷化[3]。RNA 依赖性机制依赖于核仁小RNA(snoRNP)中的H/ACA盒组成的RNA-蛋白质复合物,它还包括4个核心蛋白:假尿苷合成酶1(DKC1)、非组蛋白2(NHP2)、核仁蛋白10 (NOP10)和富含甘氨酸精氨酸的蛋白1(GAR1)。RNA非依赖性假尿苷酸化由单一的酶——假尿苷合酶(PUS)催化,在真核生物里包括PUS1-10、PUS7L、RNA假尿苷合酶结构域包含蛋白(RPUSD)1-4等超过14种酶。假尿苷化在哺乳动物中是一种不可逆的修饰。迄今为止,还没有关于假尿苷化“读取者”的相关描述。

DKC1、NOP10或NHP2突变会导致先天性角化不良,这是一种以端粒磨损为特征的疾病,典型表现为黏膜白斑、皮肤色素异常、指(趾)甲营养不良,在泌尿系统可表现为肾脏和生殖系统发育不良,但肾功能检查通常正常[30]。在前列腺癌中,DKC1高度表达并促进癌症进展,尤其是在分期较高的患者和复发病例中[31]。此外,PUS1的表达上调导致肾细胞癌(肾癌)细胞活力、迁移、侵袭和集落形成能力升高,而PUS1表达降低对肾癌细胞产生相反的影响,这提供了PUS1介导的Ψ修饰可能参与肾癌进展的证据,并可能有助于肾癌的诊断和临床干预[32]。

目前对RNA修饰与肾脏疾病的联系知之甚少。随着高通量二代测序技术的发展,液相色谱灵敏度的提高,以及其他测序技术的更新,对RNA修饰将会有更多的理解和掌握。靶向RNA修饰是未来一种富有前景的治疗方法。RNA修饰的多样性及其参与的分子途径在肾脏病领域的研究才开始起步,仍需要有更多的学者探索肾脏病中RNA修饰的机制和因素,并开发具有药学价值的新型药物。

来源：肾脏病与透析肾移植杂志订阅号