Aging Cell 综述︱RNA修饰在衰老中的功能与分子机制的最新进展
撰文︱责祎旦·加帕尔，李国平
责编︱王思珍
编辑︱杨彬伟
衰老是一个自然发生的过程，是生物体对环境的生理和心理适应能力的逐步下降。衰老的分子特征包括基因组不稳定、端粒损耗、表观遗传学改变、蛋白质稳定的丧失、新陈代谢失调、线粒体功能障碍及细胞衰老等。在人类中，衰老可以增加多种疾病的风险，如神经退行性疾病、心血管疾病、骨质疏松症、代谢功能紊乱、组织修复和再生的缺陷、肠道微生物的调节能力下降、白内障及生育能力下降等。越来越多关于衰老的研究表明，衰老及衰老相关疾病通常是由外部环境刺激和内部基因表达调节之间的复杂互动造成的。而对于表观遗传调控衰老相关基因的表达，大部分研究都集中在基因转录水平上的改变，例如DNA甲基化修饰、组蛋白修饰和染色质重塑等，但转录后的调节因素，特别是RNA修饰在衰老中的作用与机制，鲜有综述报道。
近日，Aging Cell在线发表了题为“Regulation and roles of RNA modifications in aging-related diseases”的文章，详尽阐述了RNA修饰在衰老相关疾病中的作用与机制[1]。新疆大学生命科学与技术学院的责祎旦·加帕尔博士、马普所弗里德里希-米歇尔实验室的苏鼎文博士及上海复旦大学附属华山医院神经外科的华领洋博士为该文章的共同第一作者，华山医院的宫晔教授和哈佛大学的李国平博士为该文的共同通讯作者。
近些年对于RNA修饰的定性和定量检测方法取得的巨大进步，已经在已知的RNA物种中，包括mRNA、miRNA、tRNA、rRNA、lncRNA和其他非编码RNA，发现了数百种RNA修饰[2]，极大地推动了表观转录组学的科学研究。据报道，RNA修饰对RNA核输出、翻译启动、转录本稳定性、剪接、折叠和定位都有重要贡献[3]。同时，随着RNA修饰的发现，一些负责书写、阅读和擦除这些RNA修饰的酶也被确认。由于RNA修饰和相应的修饰酶在许多人类疾病中发挥着关键作用，如肥胖症、糖尿病、神经退行性疾病、多种类型的癌症，甚至病毒感染，从而备受关注[4]。在该综述中，作者不仅介绍了不同RNA修饰的生物发生和分子功能，还重点讨论了RNA修饰在衰老相关疾病中的调控和作用。
一、RNA修饰
mRNA化学修饰的发现，为生物体内基因转录后调控开辟了新的时代。随着在转录组中以单碱基分辨率识别和量化m6A的进展，m6A成为特征最明显和最丰富的RNA修饰，m6A在编码区和3′非翻译区（3'UTR）以及在终止密码子附近明显富集。RNA修饰是一个动态可逆的过程，研究发现m6A修饰由METTL3-METTL14复合物及其辅助因子催化，如METTL16、ZCCHC4、RBM15、ZC3H13、VIRMA、CBLL1和WTAP。YTHDF1、YTHDF2、IGF2BP1、IGF2BP2和IGF2BP3被定性为识别m6A甲基化的读取蛋白。而FTO和ALKBH5是目前发现且研究最多的去甲基化酶。在功能上，m6A几乎参与了mRNA生命周期的每一个步骤，从细胞核中的剪接和加工到细胞质中的翻译和降解。m1A是1961年在tRNA和rRNA中发现的腺苷N1位的甲基化。m1A在5'UTR内的起始密码子周围高度富集。虽然m1A已被证明可以促进翻译，但具体分子机制还不清楚。目前唯一已知的m1A的甲基转移酶是TRMT6-TRMT61复合物，读取蛋白是YTHDF2，去甲基化酶是ALKBH1和ALKBH3。2'-OMe是经典的RNA修饰之一，2'-OMe修饰首先在细菌mRNA中被证实会影响翻译效率。它可以分别添加到N1（第一个转录核苷酸，m7GpppNmN-）和N2（第二个转录核苷酸，m7GpppNmN-）上。CMTR1可以作为2'-O-甲基转移酶来修饰mRNA帽的N1。m5C是最常见的mRNA修饰，其中甲基化发生在胞嘧啶的第5位，并于1975年首次被报道。这种修饰类似于DNA甲基化m5C。NSUN2与这种mRNA修饰有关m5C修饰也可以被ALYREFRNA识别，而负责mRNA中m5C修饰的确切甲基转移酶尚未确定。与RNA修饰一样，A-to-I编辑是转录组中的常见事件。哺乳动物有3种ADAR酶，ADAR1和ADAR2具有催化活性，而ADAR3缺乏催化活性。已在小鼠中鉴定出数以万计的A-to-I编辑位点，并在人类中鉴定出数百万个。A-to-I编辑可以直接改变翻译蛋白质的氨基酸序列，影响真核生物中的RNA剪接和mRNA的降解等。
图1 mRNA的化学修饰
（图源：Jiapaer Z, et. al., Aging Cell, 2022）
在过去的几十年中，大量研究表明非编码RNA在各种生物过程和人类疾病。尽管在基因组水平上控制非编码RNA转录的调控修饰已经确立，但在RNA水平上控制非编码RNA功能的化学修饰直到最近开始出现（图2）。截止目前，100多种不同的化学修饰被发现能够主动调节非编码RNA的行为，包括影响其加工、剪接、翻译和降解。
图2 非编码RNA中的经典RNA修饰类型
（图源：Jiapaer Z, et. al., Aging Cell, 2022）
二、RNA修饰与衰老相关性神经退行性疾病
与衰老相关的神经退行性疾病包括阿尔茨海默病（AD）、帕金森病（PD）、肌萎缩侧索硬化症（ALS）、中风和额颞叶变性。越来越多的证据表明，与年龄有关的神经退行性疾病是由多种原因引起的。其中，RNA修饰的变化也发挥着重要作用。
AD于1906年由阿洛伊斯·阿尔茨海默首次描述。它是与衰老相关最具破坏性的神经退行性疾病之一，其患病率随着全球人口老龄化而增加[5]，目前尚未确定针对AD的有效疗法。最近的研究表明RNA的m6A甲基化可以促进AD的发展。通过结合使用m6A测序与高通量液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS），研究发现与对照组小鼠相比，AD小鼠（5xFAD）中METTL3的表达水平与m6A水平显著降低。同样，通过免疫印迹分析，与年龄匹配的对照组相比，AD患者大脑中神经元m6A水平和METTL3表达也显著降低。而敲除小鼠海马中的METTL3会导致记忆力减退、神经退行性变、脊柱丧失和神经胶质增生。ALS是最常见的与年龄相关的神经退行性疾病之一，其特征是肌肉萎缩导致上下运动神经元受损。最近的证据表明，与对照组相比，所有ALS病例中，GluA2 Q/R位点的RNA编辑效率均显着降低。有趣的是，在ADAR家族的三个成员中，只有ADAR2的酶活性在ALS运动神经元中被下调，这表明一旦ADAR2表达水平降低到编辑所有GluA2 Q/R位点所需的阈值以下，运动神经元就会进入死亡级联。
三、RNA修饰与衰老相关性心血管疾病
与衰老相关的肥胖是动脉粥样硬化的主要危险因素。新的证据表明，锌指蛋白217（FP217）可以通过激活FTO的表达来降低m6A的表达，最终导致脂肪生成和肥胖增加。METTL3介导的RNA高甲基化分别通过YTHDF1和YTHDF2 m6A 阅读器蛋白稳定了NLRP1 mRNA 和降解KLF4 mRNA。敲除METTL3可恢复NLRP1和KLF4的mRNA水平，并阻止了动脉粥样硬化过程。此外，METTL14被证明可直接与FOXO1 mRNA 结合，并通过增加其m6A修饰来增强FOXO1 mRNA的翻译，从而增加粘附分子的表达，加重内皮炎症，促进脉粥样硬化的发展。虽然心肌肥厚最初是生理和病理刺激的适应性反应，但生理和病理肥厚都涉及单个心肌细胞的增大。在小鼠和人类心脏中，近四分之一的转录本显示m6A RNA甲基化。METTL3可以催化驱动心肌细胞肥大的特定mRNA亚群上的m6A甲基化，从而影响细胞大小和细胞重塑，这些发现强调了这种心脏肥大机制的重要性。此外，高血压是心血管疾病（CVD）最重要的危险因素之一，高血压的发病率随着年龄的增长而急剧上升，2015年70%的老年人患有高血压。有趣的是，在东亚人群的三项全基因组关联研究中，发现33个（2.67%）m6A相关单核苷酸多态性（m6A-SNP）与血压显著相关，其中rs56001051（C1orf167）和rs197922（GOSR2）与高血压相关。心肌细胞特异性FTO缺失加速了TAC手术后HF的进展。ADAR1在心肌细胞的特异性缺失会导致心肌细胞大量丢失，从而导致心脏功能障碍并最终导致死亡。中风是导致CVD相关的第二大常见原因。研究发现，卒中后短暂局灶性缺血再灌注后，小鼠皮质中m6A的整体甲基化水平显著升高。另一项研究显示，在缺血性卒中早期，YTHDC1表达上调，而YTHDC1的过表达可以显著降低脑梗死体积。从机制上讲，YTHDC1通过促进m6A修饰的PTEN mRNA的降解从而激活了Akt的磷酸化。总之，这些研究表明，RNA修饰对衰老相关的CVD有很大的影响，这可能为未来开发针对年龄相关的CVD治疗提供方向。
四、RNA修饰与衰老相关性白内障
五、RNA修饰与衰老相关性骨质疏松症
六、RNA修饰与衰老相关性生育下降
与年龄相关的生育能力下降是不可避免和不可逆转的，尤其是对于女性的生殖潜力。一些人口统计学和流行病学研究早就认识到女性生育能力随着年龄的增长而下降，其中最显著的是卵巢功能的下降[9]。在此综述中，作者强调了RNA修饰在卵巢衰老中的重要性。研究发现老年人卵巢颗粒细胞中m6A修饰水平显著增加，FTO表达水平下调。m6A测序表明，FOS mRNA的3'UTR中m6A修饰增加导致FOS mRNA稳定性增强。另一项研究同时发现，随着年龄的增长，人卵泡液、颗粒细胞和小鼠卵巢中FTO的表达下降，m6A的含量增加。此外，化疗药物环磷酰胺可增加m6A水平并显着抑制RNA去甲基化酶FTO的表达水平，这也与卵巢早衰相关。
图3 RNA修饰基因与衰老相关疾病
（图源：Jiapaer Z, et. al., Aging Cell, 2022）
七、总结与观点
总之，近年来表观转录组学领域迅速崛起，RNA修饰已成为抗衰老相关疾病的新焦点和新治疗靶点。在这篇综述中，作者总结了RNA表观转录组调控和衰老相关疾病的相关机制。他们发现RNA修饰与许多与衰老相关的疾病有关，并且在影响相关疾病相关途径中关键基因的mRNA稳定性、翻译和蛋白质水平控制方面发挥着重要作用。总的来说，这些研究强调了RNA修饰在衰老相关疾病中的关键作用（图3）。了解它们在衰老相关疾病背景下的功能可以提供更新的视角，丰富衰老相关疾病的理论基础,并为许多衰老相关疾病的药理学和临床疗法的研究和开发提供新的潜在分子靶点。
一、RNA修
原文链接：https://doi.org/10.1111/acel.13657
新疆大学的责祎旦·加帕尔博士（左一）、马普所的苏鼎文博士（左二），复旦华山医院的华领洋博士（中）和宫晔教授（右二），哈佛大学的李国平博士（右一）
（照片提供自：宫晔/李国平团队）
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参考文献（上下滑动阅读）
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本文完