FTO及其在肿瘤中作用的研究进展.pdf

沈阳医学院学报 Journal of Shenyang Medical College 第25卷 第4期 2023年7月综述综述FTO及其在肿瘤中作用的研究进展尹峰1，2#，喻辰唏1，2#，许文娇1，2，潘永瀚1，2，杨博文1，2，陈思羚2，3，罗文舸1，2，吴志浩1，4*（1.皖南医学院临床医学院，安徽 芜湖 241002；2.肿瘤微环境实验室；3.皖南医学院医学影像学；4.基础医学院）摘要肥胖蛋白（fat mass and obesity-associated protein，FTO）是一种RNA去甲基化酶，其与-酮戊二酸加氧酶如AlkB同源家族（ALKBH）蛋白具有序列同源性，在m6A修饰方面发挥重要作用，可以调节RNA代谢的许多过程，包括降解和翻译等。越来越多的研究表明，FTO参与调控神经发生、多巴胺信号传导和食欲调节、脂肪发生、致癌和病毒感染等生物学过程。本文主要对FTO的结构与功能、在肿瘤中的作用机制，及其抑制剂进行综述。关键词m6A；肥胖蛋白；肿瘤；抑制剂中图分类号R730.2 文献标识码A 文章编号1008-2344（2023）04-0409-06doi：10.16753/ki.1008-2344.2023.04.018Research progress on fat mass and obesity-associated protein and its role in tumorsYIN Feng1，2#，YU Chenxi1，2#，XU Wenjiao1，2，PAN Yonghan1，2，YANG Bowen1，2，CHEN Siling2，3，LUO Wenge1，2，WU Zhihao1，4*（1.School of Clinical Medicine，Wannan Medical College，Wuhu 241002，China;2.Research Laboratory of Tumor Microenvironment；3.School of Medicine Imaging；4.School of Basic Medicine）Abstract In the process of m6A regulation，FTO protein is responsible for demethylation.A major molecular function of fat mass and obesity-associated protein（FTO），which has sequence homology to alpha-ketoglutarate oxygenase enzymes such as the AlkB homolog family（ALKBH）proteins，is RNA demethylation.FTO plays an important role in m6A modification and can regulate many aspects of RNA metabolism，including degradation and translation.An increasing number of studies show that FTO is involved in the regulation of many cellular and biological processes，including neurogenesis，dopamine signaling and appetite regulation，adipogenesis，oncogenesis，and viral infection.This paper reviews the structure and function of FTO，its roles in tumors，and its inhibitors.Key wordsN6-methyladenosine；FTO；tumor；inhibitorN6-甲基腺嘌呤（N6-methyladenosine，m6A）修饰是真核生物中最常见的甲基化修饰。m6A“eraser”（去甲基化酶）由 FTO（fat mass and obesity-associated protein）和ALKBH5（AlkB homolog 5）组成，负责将 RNA“GGAC”基序中的 A进行去甲基化，进而发挥调控作用1。FTO因其特定的生物学作用，参与各种生物学功能的调控，包括上皮-间充质转化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）、细胞增殖、化疗耐药性、自噬等。并因其特异的空间结构而开发了相应的抑制剂进行靶向调控。因此，明确 FTO 如何调控肿瘤的各种生物学过程对于临床上靶向 FTO的治疗具有重要意义。本文将对 FTO在肿瘤中的作用及其抑制剂进行综述。1 FTO结构与功能根据目前的基因组学研究，FTO基因只存在于脊椎动物和几种具有高度保守核苷酸序列的海藻中，该基因位于 16 号染色体长臂 12 区 2 亚带（16q12.2）上，长度为 410.50 kb，其中包含 9 个外显子1。Gerken等1揭示FTO基因编码Fe2+/-酮戊二酸（2-OG）依赖性去甲基化酶，这是哺乳动物中发现的第9个ALKB家族蛋白（也称为ALKBH9）。之后，Jia等2发现，核 RNA中的 m6A基金项目 国家自然科学基金（No.81872371）；分子肿瘤学国家重点实验室开放项目计划（No.SKL-KF-2019-11）；安徽省自然科学基金项目（No.1708085MH203）；国家级大学生创新创业训练计划（No.202110368032）作者简介尹峰，E-mail：；喻辰唏，E-mail：#尹峰和喻辰唏为本文共同第一作者通信作者吴志浩，E-mail：409沈阳医学院学报 Journal of Shenyang Medical College 第25卷 第4期 2023年7月是 FTO的主要底物。自此，FTO被鉴定为第 1个RNA去甲基化酶，且FTO蛋白复杂的结构和功能被逐渐揭示。研究表明，FTO 蛋白由一个氨基末端 ALKB样结构域（NTD）和一个羧基末端（CTD）组成3。其中，NTD 主要作用是螯合 Fe2+，该结构的催化核心主要由保守的双链-螺旋结构组成，被 称 为 果 冻 卷 基 序（jelly-roll），并 与 保 守 的 His-Xaa-Asp/Glu-Xaa-His 基序组成铁催化活性中心4。与其他 ALKB家族成员相比，FTO结构中含有特异性的NRL环状结构。一级序列比对表明，NRL环内的氨基酸残基是随着生物演变而增加的，但在不同物种的FTO蛋白中高度保守。NRL环与jelly-roll的相互作用主要通过以230色氨酸（Trp）为中心的疏水键介导5。该结构覆盖了保守的jelly-roll基序的一侧，导致未甲基化的双链DNA主动与FTO结合。CTD是一个新的折叠结构，目前没有发现与其具有同源性的结构。CTD 主要是由 3 个 折叠（7、8和10）形成的三螺旋束，螺旋束的一端与NTD发生相互作用并在稳定NTD构象中具有重要作用3。此外，CTD被鉴定为ALKB样脱氧核糖核酸/核糖核酸去甲基化酶，对单链脱氧核糖核酸中的3-甲基胸腺嘧啶（3-meT）和单链核糖核酸中的 3-甲基尿嘧啶（3-meU）具有高亲和力。此外，FTO 区分 3-meT或 3-meU 与其他核苷酸的能力是由 CTD 与 3-meT或 3-meU 中的 2个羰基氧原子的氢键相互作用赋予的3。FTO 是最早被发现的 m6A 去甲基化酶。在m6A的去甲基化过程中，FTO首先将m6A氧化成中间产物 N6-羟甲基腺苷（hm6A），再进一步将hm6A氧化并生成N6-甲酰腺苷（f6A），最后进一步氧化生成腺苷（A）6。而作为第2种被发现的m6A去甲基化酶ALKBH5，其显示出与FTO相当的m6A去甲基化活性。与FTO的氧化去甲基化不同，ALKBH5可直接催化m6A去除甲基化，而不产生中间产物，过程相对简单7。2 FTO在肿瘤中的作用FTO在肿瘤的发生发展中参与了 EMT、肿瘤细胞增殖、肿瘤干细胞发育、肿瘤耐药等生物学过程。其中FTO介导的m6A去甲基化修饰与这些生物学过程也密切相关。多项研究表明FTO在不同肿瘤中发挥着不完全相同的作用。2.1 FTO在肿瘤EMT中的作用 大量研究表明，FTO在体外EMT的发生以及体内肿瘤侵袭、转移的过程中起着至关重要的作用。Liu等8的研究表明，相较于食管正常上皮细胞，FTO在食管鳞癌细胞中高表达，并且能够上调基质金属蛋白酶13的表达，从而促进食管鳞癌细胞的侵袭和转移。Xu 等9研 究 发 现，FTO 通 过 识 别 m6A 基 序“RRACH”，特异性地与 miR-181b-3p结合，通过去甲基化修饰miR-181b-3p，靶向下调ARL5B，加速乳腺癌细胞的迁移和侵袭。Berulava等10发现，FTO 通过对 MCF7 和 MDA-MB231 细胞中 BNIP3（Bcl-2蛋白家族成员）mRNA的3 UTR去甲基化，从而诱导乳腺癌细胞增殖和转移。另有研究表明，在肺鳞状细胞癌中FTO不仅促进细胞增殖和侵袭，并且能够通过调节MZF1（Myeloid Zinc Finger1）的表达进而抑制细胞凋亡11。相反，有研究表明，在上皮癌中FTO呈低表达，但能促进EMT进展，此外，FTO的缺失增加了细胞中的m6A修饰，改变了Wnt信号级联中关键mRNAs的3 端加工，进而引发 EMT 转化12。总之，在目前的研究中，FTO对不同的肿瘤有着不同的调控方式，并在多种肿瘤的EMT进程中起着关键作用。2.2 FTO在肿瘤增殖中的作用 FTO介导的m6A去甲基化修饰能够参与肿瘤细胞的增殖调控。在胃癌细胞中，敲除 MKN45 细胞系中的 FTO 后，集落形成、MTT 实验分析显示 MKN45 细胞的增殖水平明显升高，Transwell实验表明其侵袭水平也有所上升，同时Bcl-2的表达明显上调，而caspase-3、caspase-9等凋亡蛋白表达量明显降低13。MYC作为常见的核转录因子，能够激活下游靶基因的表达，并且是哺乳动物中最常见的原癌基因之一。在宫颈癌细胞中，FTO 可以介导 E2F1 和MYC 的 mRNA 的 m6A 修饰，从而促进二者的表达，使宫颈癌细胞的增殖和转移能力明显增强。而当 FTO 被抑制后，E2F1 和 MYC 的翻译效率明显被降低14。PI3K-AKT途径是一种细胞内信号转导途径，响应细胞外信号，促进代谢、增殖、细胞存活和血管生成。有研究表明，FTO在乳腺癌细胞中过度表达，而其过表达可以促进乳腺癌细胞糖酵解，其机制与 PI3K/AKT 信号通路有关15。此外，在子宫内膜癌组织中，雌激素受体 的高表达可导致 FTO 核积累，通过 mTOR 信号410沈阳医学院学报 Journal of Shenyang Medical College 第25卷 第4期 2023年7月通路促进子宫内膜癌增殖16。泛素特异蛋白酶7（USP7）能够催化底物脱去泛素链，有利于蛋白质的稳定。有研究表明，在人类非小细胞肺癌中，FTO 介 导 的 m6A 去 甲 基 化 修 饰 USP7 mRNA，并增加其稳定性来促进USP7的表达，进而增强了肺癌细胞在体外的集落形成能力，促进其增殖17。此外，有研究表明，FTO在细胞转化和白血病发生，以及全反式维甲酸诱导的白血病中发挥关键致癌作用。FTO通过m6A去甲基化修饰降低其关键靶基因如ASB2和RARA的mRNA转录物中m6A的水平，从而触发相应的信号级联，促进癌细胞的增殖和迁移18。2.3 FTO在肿瘤化疗耐药中的作用 目前化疗是治疗恶性肿瘤的最常见的手段之一，但化疗药的长期使用以及肿瘤自身的保护机制，让某些恶性肿瘤对化疗药产生抗性，导致化疗效果降低，甚至无效。研究表明，表观遗传的改变对肿瘤的耐药性起着重要作用。多项研究发现，FTO介导的m6A去甲基化修饰与肿瘤的耐药密切相关。在宫颈鳞癌细胞中，FTO 可 以 通 过 m6A 去 甲 基 化 修 饰 上 调 Wnt/-catenin信号通路，进而上调ERCC1，导致肿瘤的耐药，FTO/-catenin/ERCC1轴可能在宫颈鳞癌放化疗耐药性的调节中起关键作用，其中FTO可能通过对DNA损伤修复反应而在癌症放化疗中发挥抵抗作用19。白血病细胞耐药表型与FTO过表达导致的 m6A 减少密切相关。研究发现 FTO-m6A轴在未成熟的白血病细胞群中是固有的，并且在酪氨酸激酶抑制剂（TKI）治疗中也可诱导产生，一方面，FTO-m6A 轴允许细胞亚群快速占据其m6A甲基，以上调存活、增殖基因，从而使它们能够承受TKIs的初始攻击，并在缺乏靶向激酶的情况下持续繁殖；另一方面，TKI 增加的 FTO-m6A功能进一步增强了抗凋亡/存活基因的表达，进而表现出耐药性20。此外，在乳腺癌细胞中，FTO的过表达能够增强乳腺癌细胞对阿霉素的耐药性并减弱其对阿霉素的敏感性21。类似地，FTO通过m6A去甲基化途径，降低SOD2 mRNA的稳定性，进而促进多发性骨髓瘤对硼替佐米的化疗抗性22。还有研究表明，FTO的去甲基化功能可以增强PDK1 mRNA的稳定性，从而促进多形性胶质母细胞瘤的有氧糖酵解和替莫唑胺的耐药性23。2.4 FTO在肿瘤自噬中的作用 普遍认为细胞自噬在细胞内充当“垃圾处理场”的作用，主要是清除降解细胞内受损伤的细胞结构、衰老的细胞器以及不再需要的生物大分子等。近年来，研究发现，FTO介导的去甲基化修饰在肿瘤细胞的自噬 中 也 起 到 重 要 作 用。氨 酰 基-tRNA 合 成 酶（AARS）通过控制tRNA合成酶复合物的合成进而调节mRNA的翻译速率。研究表明，在哺乳动物细胞中，AARS 家族的成员可将氨基酸水平与mTORC1信号转导连接起来，并对细胞的生长起调节作用。在FTO缺失的情况下，mTORC1信号转导失调，这样即使在氨基酸存在的情况下，细胞也将处于氨基酸剥夺状态，导致mRNA翻译速率降低，最终使细胞的自噬增加24。ATG-5被公认为自噬相关标记物，在卵巢癌细胞中，当过表达 FTO后，ATG-5、ATG-3、LC3以及 Beclin-1等蛋白的表达量显著提升，与此同时，p62的蛋白含量却明显降低，表明过表达FTO的卵巢癌细胞中自噬水平明显上升25。此外，在 Jurkat 细胞系（人T淋巴细胞瘤细胞系）中，FTO mRNA水平明显升高，且随着FTO的上升，LC3-/LC3-比值的增加，表明FTO可增加细胞的自噬26。还有研究表明，在口腔鳞癌中，FTO 的沉默会使细胞中eIF4G1转录物的m6A水平升高，而YTHDF2对其位点识别，导致eIF4G1 mRNA降解，使蛋白表达减少，从而促进了细胞自噬，并一定程度地抑制了肿瘤的发生27。2.5 FTO在肿瘤中的其他作用 FTO介导的m6A去甲基化修饰除了与肿瘤的EMT、增殖、多耐药性、自噬相关，还参与了癌细胞的干性、免疫逃逸以及神经细胞的再生等生物学功能。在胶质母细胞瘤干细胞中，FTO 介导的 m6A 去甲基化修饰，可 使 ADAM19、EPHA3、KLF4 等 基 因 的mRNA去甲基化，进而增强胶质母细胞瘤干细胞生长、自我更新、肿瘤进展，导致小鼠死亡28。在黑色素瘤细胞中，当 FTO 被敲除后，PD-1（PDCD1）、CXCR4 和 SOX10 等关键促黑色素生成基因的5 UTR和3 UTR中m6A富集，并通过YTHDF2介导RNA衰减，抑制了黑色素瘤的发生和抗 PD-1 的抵抗，使肿瘤细胞对免疫敏感性增强29。为了全面研究 m6A 对神经细胞的影响，对全基因组 m6A 谱分析，并观察了出生后神经发育过程中 m6A 的动态修饰，发现 FTO 缺失导致了脑源性神经营养因子（BDNF）通路中以411沈阳医学院学报 Journal of Shenyang Medical College 第25卷 第4期 2023年7月m6A为标志的几个关键成分的表达改变，不仅减少了神经干细胞的增殖，而且抑制了成年小鼠SVZ和SGZ区域的神经元分化，导致小鼠表现出空间学习和记忆受损30。由此可见，FTO在多种肿瘤细胞的各种生物学功能的调控中都起到了重要的作用（图1），其在癌症前期诊断和治疗中的潜在价值，具有良好的研究前景。图1 FTO在多种肿瘤细胞的各种生物学功能中的调控作用3 FTO抑制剂FTO是第一个通过全基因组关联研究鉴定的基因。作为碱性双加氧酶家族的成员，FTO被鉴定为第 1 个催化 m6A 去甲基化的 RNA 去甲基化酶，对m6A修饰进行动态、可逆调控，并依赖辅因子Fe2+和-酮戊二酸行使催化功能。随着科学技术的发展，人们根据FTO去甲基化的过程及其所需原料，开发出了许多FTO的抑制剂，并通过大量研究结合动物实验，开发出相关的抗癌药物最终用于临床。3.1 FTO非特异性抑制剂 大 黄 酸（Rhein）是第 1 种被鉴定出具有抑制 FTO 活性的天然产物，它既不是-酮戊二酸的结构模拟物，也不是Fe2+的螯合剂，而是在体外与FTO活性位点竞争性结合，并通过直接结合提高FTO的热稳定性。Rhein占据m3T、2OG和Fe2+的结合位点，从而破坏辅因子和底物的结合，达到抑制FTO功能的目的，而相关的研究表明 Rhein 能够抑制小鼠皮下乳腺肿瘤生长31。R-2HG（R-2-hydroxyglutarate）是一种由突变IDH1/2（isocitrate dehydrogenase 1/2）酶产生的代谢产物，可抑制FTO活性并增加细胞m6A修饰水平。R-2HG在结构上接近-酮戊二酸，并竞争性抑制一系列Fe2+/-酮戊二酸依赖性双加氧酶，从而抑制 FTO 的活性，同时，R-2HG 还通过 FTO/m6A/MYC/CEPPA 信 号 通 路 表 现 出 抗 肿 瘤 的活性32。3.2 FTO 特异性抑制剂 FTO 中含有特异性的NRL结构，这是ALKBH5所没有的。对此，许多研究设计出FTO特异性抑制剂。恩他卡朋（entacapone）是用于治疗帕金森病的辅助药。有研究发现，Entacapone是 FTO 的化学抑制剂，其占据了FTO的辅因子和底物结合位点进而对 FTO 进行抑制，并且显示，Entacapone对 ALKBH5 和 易 位 甲 基 胞 嘧 啶 双 加 氧 酶 1（TET1）的酶活性没有任何抑制作用，表明它是一种特异性的针对FTO的抑制剂33。甲氯芬酸（meclofenamic acid，MA）是一种非甾体抗炎药，研究发现MA也是一种高选择性的FTO抑制剂。MA通过与FTO上的NRL结构相互作用，抑制了FTO与底物相结合，而ALKBH5缺少 NRL 环的这一部分，不能被 MA 抑制34。MA的乙酯形式MA2，同样被确定为一种FTO特异性抑制剂，可增加人细胞m6A的水平34。4-氯-6-（6-氯-7-羟基-2，4，4-三甲基-苯并二氢吡喃-2-基）苯-1，3-二醇（CHTB）尽管与MA具有不同的结构，但在FTO中，CHTB和MA是部分重412沈阳医学院学报 Journal of Shenyang Medical College 第25卷 第4期 2023年7月叠的。对这两种复杂结构的研究表明，除了Arg96和Tyr108两个残基外，这两种晶体结构的整体构象没有显著差异35。此外，N-（5-氯-2，4-二羟基苯基）-1-苯基环丁烷甲酰胺（N-CDPCB）是一种新型 FTO 抑制剂，化合物的酚环与FTO的非共轭长环的疏水和极性接触，酚环紧密堆积在Pro93的侧链上，且化合物的羰基氧与FTO的Ser229之间形成氢键，与FTO相互作用被进一步加强，达到抑制效果36。FB23（苄基羧酸）在是MA的基础上，被设计出的新型FTO抑制剂，不仅保持苄基羧酸作为甲基丙烯酸的关键元素，有助于FTO相对于ALKBH5的选择性，而且将二氯取代的苯延伸到NRL结构内部。此外，在FB23的延伸杂环中的氮或氧与FTO的Glu234的酰胺骨架之间存在额外的氢键作用，这让FB23在抑制FTO介导的去甲基化方面比 MA 更有效37。为了进一步提升其抑制效果，相关研究设计出FB23-2（苯并异羟肟酸），其通透性比FB23更高，抑制效果也更明显37。胚根醇（Radical）是一种抗真菌的抗生素。在分子水平上，胚根醇和m3T在FTO的不同位点结合，m3T结合到深腔，胚根醇结合到相邻但相对更易暴露于溶剂的位点。将其他FTO抑制剂结构叠加到胚根醇-FTO复合物上，在与FTO相互作用后，来自胚根醇的氯被定位到溶剂区，并与Tyr214的羰基氧建立氯氧键，进而阻止FTO与底物结合38。黄皮素E（Clausine E）也一直显示出拓扑异构酶抑制作用，并通过在S期和G2/M期诱导细胞周期停滞而显示出明显的生长抑制活性。据报道，黄皮素E可结合到FTO蛋白的疏水腔中，与FTO特异性相互作用，从而抑制FTO活性39。荧光素衍生物是迄今为止最新开发出能够同时选择性抑制和标记FTO的化合物。即使存在Fe2+或2-OG，荧光素的抑制活性也几乎没有影响，证明荧光素衍生物通过疏水互作用以稳定抑制剂结合。这种疏水性核苷酸识别NRL基序，有助于荧光素对FTO的高选择性抑制40。有关研究表明，新型二羟基呋喃磺酰胺是一种不仅具有抗惊厥活性，而且可以抑制FTO的新型药物，其由芳羟基四磺酰胺与磺酰氯缩合而成，研究表明该化合物与FTO竞争Fe2+和2-OG从而起到抑制作用41。随着表观遗传被越来越多地证明能够参与肿瘤发生发展的各种途径，m6A作为其中的重要部分，近年来其主要功能被逐渐证实。FTO 作为m6A过程中的重要去甲基化酶，在多种肿瘤的多种通路，多种生物学功能的调控中发挥重要的作用。对于其结构和抑制剂的探索则有望成为临床上肿瘤诊断与治疗的突破口。然而FTO参与的生物学过程必然存在着复杂的调控网络，有待进一步的大量基础研究证实和临床试验支撑。参考文献：1 Gerken T，Girard CA，Tung YC，et al.The obesity-associated FTO gene encodes a 2-oxoglutarate-dependent nucleic acid demethylase J.Science，2007，318（5855）：146-972.2 Jia G，Fu Y，Zhao X，et al.N6-methyladenosine in nuclear RNA is a major substrate of the obesity-associated FTO J.Nat Chem Biol，2011，7（12）：88-57.3 Han Z，Huang N，Niu T，et al.A loop matters for FTO substrate selection J.Protein Cell，2010，1（7）：61620.4 Hausinger RP.FeII/alpha-ketoglutarate-dependent hydroxylases and related 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