m6A甲基化酶的种类及功能盘点

上期内容详细为大家介绍了什么是RNA碱基修饰以及m6A的前世今生，今天的文章围绕m6A甲基化酶展开，盘点了m6A甲基化酶的种类及功能，一起来学习吧~

 图1 m6A甲基化加工过程

m6A这种甲基化修饰被证明是可逆化的，包括甲基化转移酶、去甲基化酶和甲基化阅读蛋白等共同参与。其中甲基化转移酶包括METTL3/14、WTAP和KIAA1429等，主要作用就是催化mRNA上腺苷酸发生m6A修饰。而去甲基化酶包括FTO和ALKHB5等，作用是对已发生m6A修饰的碱基进行去甲基化修饰。阅读蛋白主要功能是识别发生m6A修饰的碱基，从而激活下游的调控通路如RNA降解、miRNA加工等。

表1 RNA甲基化酶类型总结

1．m6A甲基化转移酶

甲基化转移酶（methyltransferase）也叫Writers，是一类重要的催化酶，能够让mRNA上的碱基发生m6A甲基化修饰。METTL3、METTL14、WTAP和KIAA1492都属于m6A甲基化转移酶的核心蛋白。这些蛋白并不是各自孤立的，而是会形成复合物（complex）共同行使催化功能。由于酵母和线虫等生物缺少这四种核心蛋白中的一种或几种，所以m6A甲基化修饰属于高等真核生物独有的碱基修饰反应。

 图2 METTL3-METTL14蛋白复合物晶体结构示意图

结构生物学研究表明，METTL3和METTL14这两种蛋白有关键的催化结构域，两者之间会形成杂络物（hetero complex）。其中METTL3是具有催化活性的亚基，而METTL14会在底物识别上起到关键作用。另外WTAP、Vir以及其他类型的factors也是杂络物的重要组成部分。其中WTAP在招募METTL3和METTL14起到十分重要的作用。这些蛋白无论在体内（in vivo）还是体外（in vitro）都会一起对腺苷酸进行甲基化修饰。除了人和小鼠等哺乳动物，果蝇、酵母甚至拟南芥中也发现了类似的同源蛋白（homologous protein）。

2．m6A去甲基化酶

在真核生物中，已发现的m6A去甲基化酶主要包括FTO和ALKBH5等。FTO蛋白全称Fat mass and obesity-associated protein，属于Alkb蛋白家族中的一员并且与肥胖相关。1999年，FTO基因首次在小鼠中被克隆。2007年，三项独立的队列研究分别证实当FTO基因产生突变时，会增加肥胖的风险。同样在小鼠模型中，FTO被敲除或过表达都会显著改变小鼠的体重。2011年，芝加哥大学何川教授在全球首次证实，无论是在DNA还是RNA中，FTO蛋白都是一种十分重要的去甲基化酶。

 图3 FTO蛋白属于Alkb家族，都有特定的结构域对发生甲基化的碱基行使去甲基化的催化功能

FTO蛋白在核心结构域上与Alkb蛋白家族相似，但是C端独有的长loop与Alkb家族其他蛋白有所不同。正是这种特有的结构域使得FTO蛋白能够对发生甲基化的单链DNA或单链RNA进行去甲基化修饰。一旦FTO基因转录水平发生异常，会引起多种疾病如急性髓细胞白血病等。

ALKBH5是另一种重要的去甲基化酶，能够对细胞核中的mRNA进行去甲基化修饰，在N端有丙氨酸富集区和独有的卷曲螺旋结构（coiled-coil structure）。在细胞系中敲低ALKBH5后，mRNA上m6A修饰水平显著上升。

3．m6A甲基化阅读蛋白

发生m6A修饰的mRNA想要行使特定的生物学功能，需要一种特定的RNA结合蛋白——甲基化阅读蛋白，也叫reader。RNA pull-down实验已经鉴定了多种阅读蛋白，包括YTH结构域的蛋白、核不均一核糖蛋白（hnRNP）以及真核起始因子（eIF）等。这些阅读蛋白的功能主要包括特异性结合m6A甲基化区域，削弱与RNA结合蛋白同源结合以及改变RNA二级结构从而改变蛋白与RNA的互作。

 图3 YTH家族蛋白含有YTH521-B同源结构域和P/Q/N-rich结构域

具有YTH结构域的蛋白包括YTHDC1-2和YTHDF1-3等。YTHDF1-3主要在胞浆中特异性识别m6A修饰的mRNA，而YTHDC1-2的作用部位主要在细胞核内。这些蛋白都在C端有YTH结构域，并且能够与m6A motif有重叠从而介导RNA特异性结合，而脯氨酸/谷氨酰胺/天冬酰胺富集（P/Q/N-rich）结构域则与亚细胞定位有关。

eIF3蛋白能够与RNA 5’端UTR上发生m6A修饰的碱基相结合，从而促进mRNA的翻译。这是一种几乎独立于传统的eIF4的激活翻译起始的新机制，RNA在eIF3的作用下招募43s核糖体在5’端Cap形成蛋白复合物。

HNRNPA2B1作为hnRNP家族蛋白中的一员仍然能行使阅读蛋白的功能。与YTHDC1蛋白不同的是，HNRNPA2B1与m6A修饰的碱基不能直接结合。HNRNPA2B1除了激活miRNA初级体（pri-miRNA）下游通路外还与miRNA前体（pre-miRNA）加工有关。

今天的内容讲完啦，大家记得收藏起来慢慢学习哦~

下期预告：m6A检测方法汇总及优劣势比较