探讨METTL3在Kummell疾病中的生物学作用

Exploring the Biological Role of METTL3 in Kummell’s Disease

摘要: N6-甲基腺苷(m6A)在真核生物中最丰富的mRNA修饰，其甲基转移酶样3 (METTL3)是最重要的催化亚基。近年研究表明，METTL3在多种疾病中起着关键作用，其中骨质疏松的发生中成骨细胞及破骨细胞相关的RNA修饰均受到METTL3的调节。成骨细胞及破骨细胞在Kummell发生中有生物学相关性，而METTL3在Kummell中的表达情况以及临床意义尚未得到强调。故在这里，我们总结了METTL3的表达与Kummell病及其他骨骼疾病的发生发展中的关联性，为Kummell疾病的发生进展机制研究提供理论基础和研究思路。

Abstract: N6-methyladenosine (m6A) is the most abundant mRNA modification in eukaryotes, and its methyltransferase-like 3 (METTL3) is the most important catalytic subunit. Recent studies have shown that METTL3 plays a key role in a variety of diseases, among which the RNA modification associated with osteoporoblasts and osteoclasts is regulated by METTL3 in the occurrence of osteoporosis. Osteoblasts and osteoclasts are biologically related in the occurrence of Kummell, while the expression and clinical significance of METTL3 in Kummell have not been emphasized. Therefore, we summarize the correlation between the expression of METTL3 and the occurrence and development of Kummell’s disease and other skeletal diseases, so as to provide a theoretical basis and research ideas for the study of the occurrence and progression mechanism of Kummell’s disease.

1. Kummell病的特点

Kummell病，又称陈旧性椎体骨折骨不连，继发于骨质疏松性椎体骨折，常发生于绝经后妇女与老年人群，与其他骨折类似，其存在骨折不愈合的概率。Kummell疾病也被称为骨质疏松性椎体压缩骨折(OVCF)后的缺血性坏死 [1] [2] ，1895年由Herman Kummell首次提出的，其典型特征是无外伤或轻微脊柱外伤后数周至数月无症状，再往后出现症状并进行性加重，最终导致持续进展的后凸畸形 [3] 。该疾病的其他术语包括OVCF后的缺血性坏死、创伤后椎体骨坏死、椎体假关节、椎体内真空、裂或气体、迟发性椎体塌陷和OVCF骨不连 [4] 。

骨质疏松一直被认为是椎体缺血坏死的发病机制之一 [5] 。既往研究报道骨密度与椎体内真空发生率呈负相关 [6] 。从病理上看，骨质疏松患者成骨细胞减少也被认为是椎体缺血发生率增加的危险因素之一 [7] [8] 。而且Kummell病的病理表现以骨坏死为主 [9] 。从解剖上看，胸椎和腰椎椎体的前1/3由终动脉单一供血，可能增加椎体前1/3血管供血不足的风险。Kummell病临床上常发生在椎体前1/3处 [10] 。

近几年来，随着计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)等影像学检查方法的发展，本病的就诊率呈快速增长。据报道，老年人OVCF病例中本病的发生率为7%~37%，其中骨不愈合率为13.5%，而骨折不愈合，骨不连导致椎体裂隙发生率为7%~13%。Kummell病的危害在于它较高的致残率和死亡率。随着其发病率增加，极大地降低了患者的生活质量和预期寿命 [11] 。目前，保守治疗，微创手术及开放手术是Kummell病的治疗的主要选择。然而，由于其具有局限性及严重的并发症，Kummell患者的生活质量收到影响 [12] 。此外，由于大多数Kummell病例到晚期才被发现，导致预后较差。总之，目前先择Kummell的治疗手段比较困难，深入探讨Kummell发生发展的分子机制不仅能加深我们对Kummell的认识，还能为早期发现，早期治疗Kummell病提供新的确诊手段及治疗靶点。

2. METTL3特点及其功能

在真核生物中，m6A修饰是mRNA中最常见的一种动态且可逆的转录后修饰过程 [13] [14] 。m6A修饰在真核生物基因转录后调控以及在细胞谱系的分化和发育中有重要作用。据近年来的研究，m6A是一个由甲基化酶和去甲基化酶调节的双向过程 [15] [16] 。m6A修饰影响器官建成、肿瘤形成、节律钟调控及X染色体沉默等多种生物学进程 [17] 。

随着科学的进步，RNA测序的技术的发展，给人类对复杂的转录组探索提供了前所未有的视角 [18] 。通过这些技术发现整个基因组中约80%都参与被转录的过程 [18] [19] 。这些基因组主要调控RNA。近年来多数研究才鉴定出甲基转移酶样3 (METTL3)是M6A的甲基转移酶的最重要的催化亚基 [20] 。METTL3可通过m6A调节RNA，其中n6-甲基腺苷(m6A)是信使RNA (mRNA)中最常见的内部修饰 [21] [22] 。它(METTL3)可以通过动态调节m6A，在发育和疾病中发挥重要作用。并且METTL3被证明介导M6A调节RNA稳定性 [23] 、翻译效率 [24] 、RNA剪接 [25] 和RNA输出 [26] 。METTL3的表达在OP中通过不同的机制失调。比如：METTL3敲除可减少成熟破骨细胞数量，使其体积更大，细胞核更多；METTL3在成骨细胞中表达升高，与成骨细胞生长、存活和生长有关 [27] 。此外iAkt磷酸化，Vegfa的表达也受METTL3的调控 [28] 。

3. METTL3在骨骼疾病中的作用

3.1. OP与Kummell的关系

Kummell病的特点与骨质疏松密切相关。同样存在骨转换增加、骨量减少、骨微结构破坏和骨密度(BMD)降低 [29] 。Kummell病的发病机制可能在骨质疏松引起的微小骨折。另外，椎体内的小供血动脉因骨折或牵拉而受损，从而出现血管阻塞，影响椎体的血供，导致微环境的恶性循环，造成更严重的缺血坏死，骨不愈合。此外，破骨细胞活性增加，成骨细胞活性降低或两者兼而有之也可导致骨重塑过程中骨形成及骨吸收不平衡，即骨吸收加速和骨形成减弱最终导致骨折不愈合。Kummell病的危险因素有：骨质疏松、年龄、长期激素治疗、放疗和酗酒 [30] ；伴有代谢性疾病；伴有动脉粥样硬化；骨髓小动脉脂肪聚集和栓塞 [31] ；Schmorl结节形成；屈曲过度造成脊柱负荷量增加。Kummell病的发病机制和诊断标准尚存在争议，目前主要认为是椎体缺血性坏死造成，影像学检查中的特征性表现是诊断Kummell病的依据之一 [32] 。

3.2. OP与METTL3的关系

METTL3蛋白是目前研究较多的m6A结合甲基转移酶，其在人体的组织中普遍表达。METTL3被鉴定为哺乳动物细胞中甲基转移酶复合物的重要成分 [33] 。METTL3可以与剪切因子相互作用，能够结合多种剪切因子参与mRNA的选择性剪切、识别m6A mRNA介导其出核等 [34] [35] 。

在OP中，METTL3通过RNA甲基化调节骨基质的动态平衡，在骨代谢中形成复杂的网络。最近有一系列研究结果显示，OP的发生可能与甲基化水平有关。例如，METTL3通过不同的机制调节破骨细胞的分化和功能 [32] ；METTL3在成骨细胞的分化过程中表达升高，与成骨细胞的生长、存活和生长有关 [36] ；METTL3敲低通过YTHDF2介导的RNA降解增强了Grp78的表达，从而促进了成骨细胞凋亡并抑制了细胞增殖和分化；此外，在骨骼疾病中，m6A修饰影响细胞的稳定性以及在成骨及破骨细胞的分化过程 [37] [38] 中至关重要。

3.3. METTL3在Kummell中的作用

Kummell作为骨质疏松性椎体压缩骨折(OVCF)后的缺血性坏死，其发生与发展中不仅存在缺血性骨坏死，破骨细胞及成骨细胞之间动态平衡的破坏、还可能存在炎症反应，免疫浸润及自噬等因素。此生物过程中蛋白质及酶的作用很重要，有趣的是，METTL3的生物学功能中有蛋白质的结合，因此METTL3很有可能参与此过程中的蛋白结合生物学反应；另外，METTL3的生物学功能与免疫调节，及免疫浸润有关，而免疫调节在疾病发生及发展中其重要角色，例如免疫浸润促使M1型巨噬细胞分化并发挥炎症的进一步加重 [39] [40] ，最终改变微环境。微环境的改变可能引起局部组织氧化应激，进而导致微环境组织坏死恶性循环，此过程于Kummell的发生发展有关；此外METTL3参与RNA的翻译，稳定性以及细胞核及高尔基体组成。这些器官及生物过程对于细胞发育至关重要。此功能可能在Kummell中直接影响骨细胞的稳定性，破骨细胞，成骨细胞的发育，成熟，分化及存活等。另外，最近研究结果显示，METTL3确实与破骨细胞及成骨细胞的生长中起作用。例如，METTL3的高表达促进破骨细胞的分化和功能 [38] ；成骨细胞的分化，存活及生长过程需要METTL3的高表达 [41] [42] ；METTL3的敲低不仅抑制成骨细胞的增值及分化，还可促进成骨细胞凋亡。METTL3的这些功能意味着Kummell疾病中可能存在METTL3的参与。近几年来，骨质疏松症等多种骨骼疾病研究报道了METTL3的表达有差异。目前，Kummell病作为骨质疏松性胸腰段椎体骨折后骨不愈合，其潜在机制尚不清楚。因此，METTL3可能通过其表达水平影响Kummell的发生与进展。

3.4. METTL3与其他骨骼疾病的关系

多项研究表明，METTL3在骨骼疾病中发挥着关键作用。牙髓炎症中METTL3的水平人牙髓细胞(HDPC)中上调，并通过调节MyD88的选择性剪接来抑制LPS诱导的HDPC的炎症反应 [29] 。最近的一项研究提示，METTL3在骨肉瘤组织中上调 [43] ，METTL3在调节OP-BMSCs成骨能力中的作用，其中有通过生信分析对一系列骨骼疾病患者的血液或骨组织进行了RNA谱分析。其中鉴定了一些差异表达的mRNA，其中包括METTL3基因。

探索与METTL3相关的共调控蛋白，其中与METTL3相关基因Mettl4，Mettl14，Mettl16，VIRMA，RBM15，RBM15B，ZC3，WTAP和CBLL1。这些基因的功能主要通过M6A甲基化修饰参与细胞以及疾病的生物过程，与先前的研究结果一致。最近不少研究揭示M6A参与不同通路的调节功能，如PI3K-Akt通路，Notch通路等；Kummell以及其他骨骼疾病中均存在甲基化修饰，因此我们推测METTL3可能参Kummell的发生与进展过程。

4. 观点及结论

METTL3的表达量的高低可能成为评估或确诊Kummell病的手段；目前Kummell病尚未有确诊的金标准，并且Kummell病疾的每个阶段中的治疗选择尚不清楚。我们以生信分析结果与临床标本检测结果相结合得出，METTL3可能是Kummell疾病的发生与发展的预测指标。此外，最近有一项研究结果显示，METTL3的小分子抑制剂STM2457负调控METTL3表达 [44] ，从而降低癌症发生的风险。小分子调节METTL3的功能也可以用在Kummell疾病的前期中从而达到预防其病成的进展及提高患者的生活质量的目的。这表明METTL3又可能成为Kummell的发病机制中新的潜在治疗靶点；但是此是我们根据本研究结果的推测。具体METTL3在Kummell中的生物学功能及发生发展中的机制以及能否成为治疗靶点，需要我们进一步探索及实验研究来验证。

综上所述，METTL3有可能成为Kummell疾病的发生发展相关的重要调控基因，为Kummell患者的治疗提供新的方向。但这推测需要我们进行广泛的实验来证实。未来，我们计划进行更多的基础研究，以确定METTL3影响Kummell疾病中的具体机制。因此，未来需要进行基础研究来进一步探索。

NOTES

^*通讯作者。