《Diabetes, Metabolic Syndrome and Obesity》：FTO-Mediated m6A Demethylation in Insulin Resistance and Type 2 Diabetes: Tissue-Specific Mechanisms - a Narrative Review
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本叙述性综述旨在阐明脂肪量与肥胖相关（FTO）基因的组织特异性效应，该基因编码一种去甲基化酶，参与脂质与葡萄糖代谢及食欲调控。部分FTO单核苷酸多态性（SNPs）调控邻近基因的表达，而FTO蛋白则对单链核酸进行去甲基化修饰。FTO酶参与调节RNA
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本叙述性综述旨在阐明脂肪量与肥胖相关（FTO）基因的组织特异性效应，该基因编码一种去甲基化酶，参与脂质与葡萄糖代谢及食欲调控。部分FTO单核苷酸多态性（SNPs）调控邻近基因的表达，而FTO蛋白则对单链核酸进行去甲基化修饰。FTO酶参与调节RNA生命周期的多个过程，包括剪接、出核、降解与翻译。然而，近期研究表明FTO的表达与活性可能影响多种组织中的代谢信号。来自遗传关联研究、细胞与动物实验模型以及人体代谢研究的证据提示FTO具有组织特异性效应，尽管不同证据类型之间的研究结果并不总是一致。在肝脏中，FTO被报道通过影响甾醇调节元件结合蛋白-1c（SREBP-1c）的成熟及脂肪生成相关基因的表达来促进脂质合成。在脂肪细胞中，FTO通过影响有丝分裂克隆扩增（MCE）参与脂肪生成，包括对RUNX1T1剪接的调控，并在终末分化阶段通过影响CCAAT/增强子结合蛋白-β（C/EBP-β）的转录发挥作用。除FTO蛋白本身的作用外，FTO基因座介导的机制还可影响邻近基因（如IRX3）的表达，后者已被证实参与脂肪细胞产热程序。FTO还被证实参与肝脏糖异生基因表达的调控。在骨骼肌中，FTO与AMPK信号通路改变及脂质蓄积相关。在胰腺β细胞中，FTO被报道可影响胰岛素分泌，但不同实验模型之间的研究结果并不一致。在下丘脑中，FTO相关机制与RPGRIP1L及瘦素信号通路相关联，提示其在食欲调控中的潜在作用。FTO抑制剂亦被研究用于调控FTO相关效应。总之，FTO失调可能参与胰岛素抵抗及与2型糖尿病（T2D）相关的代谢危险因素。然而，其潜在机制及因果关系尚未完全确立，尤其是考虑到遗传关联研究、实验模型与人体代谢研究之间的差异。
论文主体内容总结
FTO基因与蛋白
FTO基因定位于染色体16q12.2，包含9个外显子和8个内含子，编码一种Fe(II)和2-酮戊二酸（2-OG）依赖的AlkBH家族双加氧酶，作为RNA去甲基化酶发挥功能。该基因于1999年由Peters等人首次鉴定，最初因其巨大的基因组大小（至少250 kb）而被命名为FATSO基因。2007年，全基因组关联研究（GWAS）首次将FTO确定为与体质指数（BMI）显著相关的基因。FTO基因第一内含子包含转录因子cut样同源盒1（CUX1）的结合位点，CUX1的结合正向调控邻近上游基因RPGRIP1L的表达；而位于FTO下游的IRX3基因，其启动子与FTO第一内含子中的增强子元件发生物理相互作用，从而促进IRX3的转录。
FTO蛋白的晶体结构及其功能意义
FTO蛋白由505个氨基酸组成，包含三个结构域：N-草酰甘氨酸（NOG）结合域、N端结构域（NTD）和C端结构域（CTD）。催化核心位于N端结构域，采用特征性的双链β螺旋（DSBH）折叠结构，通过保守氨基酸残基His231、Asp233和His307配位催化Fe2?离子，Arg316和Arg322则与NOG形成盐桥。DSBH核心一侧由α3和α4螺旋包绕，另一侧由连接β5和β6链的L1环构成。L1环选择性地与未甲基化的双链核酸竞争进入催化口袋，从而解释了FTO对单链核酸的优先活性。C端结构域包含三个α螺旋（α7、α8和α10），组装成紧凑的螺旋束，其中一条螺旋直接与N端催化结构域相互作用，稳定FTO的三维结构。N端结构域还包含一个富含精氨酸和赖氨酸的核定位序列（NLS），使FTO能够通过核孔复合体在细胞核与细胞质之间穿梭。
FTO的催化活性
FTO属于ALKBH家族，该家族包含九个Fe(II)和2-OG依赖的双加氧酶。早期研究表明FTO可催化单链DNA（ssDNA）中3-甲基胸腺嘧啶（3mT）和单链RNA（ssRNA）中3-甲基尿嘧啶（3mU）的去甲基化，但对3-甲基胞嘧啶（3mC）亲和力较低，对1-甲基鸟嘌呤（1-mG）几乎无去甲基化活性。后续体外研究将FTO鉴定为RNA去甲基化酶，能够去除信使RNA（mRNA）中的甲基基团。N6-甲基腺嘌呤（m6A）是真核生物mRNA中最丰富的内部RNA修饰，每个mRNA分子平均含有约3-5个m6A残基。m6A的生物学功能由eraser蛋白（FTO和ALKBH5）、writer蛋白（METTL3、METTL14和WTAP）以及reader蛋白（包括YTH结构域家族和IGF2BPs）组成的动态调控网络介导。FTO的底物谱还包括mRNA中的N6,2′-O-二甲基腺苷（m6Am）、U6小核RNA（snRNA）中的m6A、snRNA中的m6Am以及tRNA中的N1-甲基腺嘌呤（m1A）。Mauer等人证明FTO能有效去甲基化位于mRNA 5′帽邻近的m6Am，提示m6Am可能是FTO的重要生理底物；同时其他研究支持FTO介导内部m6A的去甲基化。FTO介导的去甲基化对mRNA中m6A的作用可影响RNA加工、稳定性、出核和翻译；对帽邻近m6Am的去甲基化与mRNA稳定性和脱帽相关；对snRNA和tRNA中修饰核苷酸的去甲基化可能分别影响前体mRNA剪接和蛋白质合成。
影响FTO酶活性的因素
甲基供体营养素（包括B族维生素、甜菜碱、胆碱、蛋氨酸、儿茶素和大豆来源化合物）可能通过改变细胞甲基供体可用性间接调节FTO表达或活性。目前已鉴定出多种天然和合成FTO抑制剂。最具特征性的天然抑制剂是大黄中分离的蒽醌类化合物大黄酸（rhein）。甲氯芬那酸（meclofenamic acid）通过竞争含m6A底物的结合选择性抑制FTO去甲基化。恩他卡朋（entacapone）在体外可直接结合并抑制FTO活性。熊果苷（arbutin）被建议作为FTO的潜在靶向化合物。此外，MO-I-500被引入作为FTO的特异性抑制剂，其他小分子抑制剂还包括FB23、FB23-2、CS1、CS2、Dac51、FTO-02、FTO-04等。
FTO的表达与细胞定位
FTO在多种人体组织中表达，在大脑、小脑、心脏、骨骼肌以及包括胰腺β细胞和甲状腺在内的多种内分泌组织中表达相对较高，在肝脏、脂肪组织和平滑肌中表达相对较低。FTO主要是一种细胞内蛋白，分布于细胞核和细胞质之间。虽然FTO主要定位于细胞内，但根据人类蛋白质图谱，在人体血液中检测到可测量的循环FTO。现有证据提示FTO可能通过非经典蛋白分泌（US）途径释放，即在缺乏N端信号肽或常规内质网/高尔基体依赖性分泌途径被破坏（如细胞应激）时，细胞质蛋白采用的非经典分泌机制。新兴证据表明，在特定病理条件下，细胞外囊泡（尤其是外泌体）中可能含有FTO，这些含FTO的外泌体可能通过转移表观遗传调控信号参与细胞间通讯。
FTO多态性与肥胖及2型糖尿病的关联
GWAS研究一致地将FTO基因座内的遗传变异确定为肥胖相关性状（尤其是BMI和肥胖程度）的重要决定因素。rs9939609是最广泛研究的FTO多态性之一，已在多个种群中与BMI增加和肥胖风险相关联。其他变异包括rs9930506、rs1421085、rs8050136和rs1121980等也与肥胖相关表型相关联。然而，这些遗传关联不应被解释为FTO蛋白活性增加直接导致胰岛素抵抗或2型糖尿病的证据。重要的是，FTO变异与T2DM的关联在调整BMI后被大幅减弱。Frayling等人的开创性研究表明，FTO风险等位基因与T2DM的关联主要通过其与BMI的关联来解释，提示糖尿病易感性增加可能主要通过肥胖程度介导，而非FTO变异对葡萄糖代谢的直接效应。
FTO在代谢调控中的作用
FTO在肝脏代谢中的作用
FTO与肝脏糖异生：FTO基因在脊椎动物中高度保守。肝脏FTO表达受营养和激素信号调控；FTO水平升高与关键糖异生基因葡萄糖-6-磷酸酶（G6PC）和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（PCK1）的上调相关。禁食期间肝脏FTO mRNA表达上调，促进转录因子C/EBP-β的激活。胰岛素处理可降低离体培养的小鼠肝组织和永生化小鼠肝细胞中FTO和G6PC mRNA水平。小鼠肝脏中FTO表达增强导致磷酸化信号转导子和转录激活子3（STAT3）核转位减少及G6PC mRNA表达增加，这些变化与空腹血糖水平升高和葡萄糖不耐受相关。
FTO与肝脏脂质代谢：FTO介导的m6A去甲基化在肝脏脂质代谢中发挥重要作用。肝脏FTO表达在肝脂肪变性早期阶段即升高，并随疾病进展至代谢功能障碍相关脂肪性肝炎（MASH）而持续上升。FTO通过表观遗传调控多个脂质合成相关基因促进脂肪生成。具体而言，FTO增强SREBP-1c的表达和成熟，同时增加SREBP裂解激活蛋白（SCAP）及高尔基体蛋白酶位点1蛋白酶（S1P）和位点2蛋白酶（S2P）的表达。活化的SREBP-1c通过结合多个脂肪生成基因的启动子区域刺激从头脂质合成，包括乙酰辅酶A羧化酶1（ACC1）、脂肪酸合酶（FASN）、硬脂酰辅酶A去饱和酶（SCD）和二酰甘油酰基转移酶2（DGAT2）。此外，FTO表达升高还抑制线粒体脂肪酸β-氧化。ACC1活性增加使细胞内丙二酰辅酶A水平升高，竞争性抑制肉碱棕榈酰转移酶-1（CPT1），导致线粒体脂肪酸氧化受损、脂质蓄积、线粒体氧化应激和进行性线粒体功能障碍。活化的SREBP-1c还促进脂滴相关蛋白CIDEC的转录，促进脂滴融合和增大，增强肝细胞内甘油三酯储存。
FTO与脂肪生成
FTO通过调控RUNX1T1可变剪接促进脂肪生成：FTO通过其m6A RNA去甲基化酶活性调控RUNX1T1的可变剪接。RUNX1T1是脂肪细胞分化的重要调控因子。RUNX1T1的可变剪接由丝氨酸/精氨酸富集剪接因子2（SRSF2）介导，产生促进脂肪生成的短异构体（RUNX1T1-S）或抑制脂肪分化的长异构体（RUNX1T1-L）。FTO通过去除RUNX1T1前体mRNA上的m6A修饰，促进外显子6的跳跃，从而有利于产生促脂肪生成的RUNX1T1-S异构体。该异构体通过上调小鼠胚胎成纤维细胞（MEFs）中的细胞周期蛋白D1（CCND1）和细胞周期蛋白D3（CCND3）促进G1/S转换，刺激前脂肪细胞重新进入细胞周期。
促进终末脂肪细胞分化：FTO还作为转录共激活因子增强C/EBP-β的活性。活化的C/EBP-β随后诱导关键脂肪生成转录因子的表达，包括C/EBP-α和过氧化物酶体增殖物激活受体-γ（PPARγ），从而促进终末脂肪细胞分化和成熟脂肪细胞的形成。
通过IRX3的间接调控：FTO基因座通过长距离调控相互作用参与脂肪细胞生物学。Smemo等人证明FTO内肥胖相关区域与IRX3形成长距离功能性相互作用。Claussnitzer等人在人脂肪细胞中提供了进一步的机制证据，表明肥胖相关rs1421085变异破坏ARID5B依赖性调控元件，导致IRX3表达增加并抑制产热脂肪细胞编程。IRX3活性改变可能影响储能白色脂肪细胞与产热米色脂肪细胞之间的平衡，部分通过UCP1表达的变化实现。
FTO与脂滴形成：脂滴包被蛋白-1（PLIN1）是包被脂肪细胞脂滴表面的主要结构蛋白，作为保护屏障促进甘油三酯储存并限制脂肪酶接触脂滴从而防止脂解。FTO过表达通过抑制Di-N-乙酰壳二糖酶（CTBS）活性使PLIN1维持去磷酸化状态，导致脂滴保持被无活性PLIN1包被，阻止脂肪甘油三酯脂肪酶（ATGL）和激素敏感性脂肪酶（HSL）从细胞质募集至脂滴表面，最终抑制脂解并促进脂滴稳定和脂肪细胞中甘油三酯储存。
FTO在瘦素抵抗发展中的作用
FTO在下丘脑中高表达，特别是在调节食欲的主要中枢弓状核中。瘦素与其长型受体（LepRb）结合激活JAK-STAT信号通路。由于循环瘦素浓度与脂肪组织质量正相关，肥胖通常伴随高瘦素血症，最终可能导致瘦素抵抗。
FTO对瘦素信号的直接效应：STAT3磷酸化被认为是功能性LepRb信号传导的标志。在HuH7细胞中，FTO被报道改变STAT3磷酸化，倾向于Ser727磷酸化而非经典的Tyr705残基。因此，磷酸化STAT3优先定位于线粒体而非进行核转位。线粒体STAT3在生理条件下支持线粒体呼吸和生物发生，但持续激活可能促进过量活性氧（ROS）产生和线粒体氧化应激。同时，磷酸化STAT3核定位减少损害瘦素依赖的多种代谢通路调控，包括肝脏糖异生和脂肪生成、胰腺胰岛素分泌以及骨骼肌中葡萄糖和脂肪酸氧化。
FTO对瘦素信号的间接效应：FTO基因座通过调控下丘脑神经元中LepRb的细胞内运输间接调节瘦素信号。CUX1结合FTO基因第一内含子，增强邻近基因RPGRIP1L的表达。RPGRIP1L蛋白在下丘脑神经元初级纤毛过渡区的形成中发挥关键作用。初级纤毛作为瘦素受体活性的重要信号枢纽，其结构完整性对有效瘦素信号传导至关重要。RPGRIP1L是LepRb正确定位于初级纤毛附近所必需的。GWAS已鉴定FTO基因第一内含子中的多个SNP，其中rs8050136和rs1421085改变CUX1的DNA结合，破坏初级纤毛结构并损害LepRb向神经元细胞表面的运输，从而可能导致瘦素敏感性受损、食欲调控失调和肥胖易感性增加。
FTO在骨骼肌中的作用
骨骼肌是人体最大的代谢器官。FTO在骨骼肌中高表达。实验研究表明FTO基因缺失或功能丧失突变导致小鼠体重减轻和程序性细胞死亡。生理性FTO活性通过促进生肌调节因子（MRFs）活性和激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）信号通路，有助于正常骨骼肌发育和代谢稳态。AMP活化蛋白激酶（AMPK）是主要的细胞内能量传感器，AMPK激活增强脂肪酸β-氧化同时抑制脂质合成。近期研究表明FTO依赖性m6A去甲基化通过调节AMPK信号通路参与骨骼肌脂质沉积的调控。Bravard等人证明2型糖尿病患者骨骼肌中FTO表达增加，体外数据支持FTO在肌肉氧化代谢、脂肪生成和氧化应激中的潜在作用。
FTO与胰岛素
FTO在胰腺β细胞胰岛素产生中的作用：FTO蛋白在胰腺中丰富表达。在一项研究中，FTO沉默不影响MIN6细胞的胰岛素分泌，FTO过表达也不影响胰岛素基因的转录。然而，FTO过表达显著促进ROS产生和NF-κB激活，N-乙酰-L-半胱氨酸（NAC）抑制细胞内ROS产生可减轻NF-κB激活并恢复FTO过表达介导的胰岛素分泌。Jalal等人使用GRINCH克隆大鼠β细胞的研究提示FTO表达沉默通过影响代谢信号抑制胰岛素分泌。另一项使用人胰腺组织的研究表明，FTO表达沉默降低参与β细胞存活和增殖的多个基因以及胰岛素胞吐必需基因（包括囊泡相关膜蛋白2（VAMP2））的表达。观察到的差异可能反映实验模型、物种、细胞背景、遗传背景、FTO变异、FTO操作水平和持续时间以及FTO调控RNA代谢的多种表观遗传机制的差异。
FTO对代谢组织中胰岛素信号的影响：FTO可能影响肝脏、骨骼肌和脂肪组织等外周代谢组织中的胰岛素作用。生理条件下，胰岛素通过IRS-PI3K-AKT信号通路在肝脏促进糖原合成和脂肪生成同时抑制糖异生，在骨骼肌刺激GLUT4转位和葡萄糖摄取，在脂肪组织促进葡萄糖摄取和脂质储存同时抑制脂解。胰岛素抵抗时，脂肪组织中胰岛素信号受损促进脂解并增加循环游离脂肪酸释放；骨骼肌中胰岛素信号缺陷减少GLUT4转位和葡萄糖摄取；肝脏中胰岛素抵抗以糖异生抑制受损为特征，尽管脂肪生成信号相对保留，导致持续性肝葡萄糖产生和从头脂肪生成增加。脂肪组织过量释放游离脂肪酸和甘油至肝脏进一步促进肝脏脂质蓄积和代谢功能障碍，共同导致系统性胰岛素抵抗、高血糖和代谢功能障碍相关脂肪性肝病（MASLD）。
FTO相关胰岛素抵抗的代谢后果
胰岛素抵抗与进行性胰腺β细胞功能障碍
持续性胰岛素抵抗增加胰腺β细胞的功能需求，最初促进代偿性胰岛素分泌以维持葡萄糖稳态。然而，慢性代谢应激、炎症、氧化应激和内质网应激可进行性损害β细胞功能和存活，最终导致胰岛素分泌不足和显性T2DM的发生。鉴于FTO与胰岛素敏感性、氧化应激和β细胞功能的关联，FTO失调可能在慢性胰岛素抵抗和代谢应激背景下促成β细胞功能障碍。
2型糖尿病概述及主要危险因素
T2DM是一种多因素代谢性疾病，主要特征为胰岛素抵抗和进行性胰腺β细胞功能障碍。其发生反映遗传易感性、肥胖、衰老、饮食模式、缺乏体力活动及其他代谢和环境因素之间的复杂相互作用。肥胖是最强的可改变危险因素之一，与胰岛素抵抗、血脂异常、慢性低度炎症和代谢功能障碍密切相关。然而并非所有肥胖个体都发展为T2DM，提示遗传易感性和其他代谢因素可能修饰过量脂肪组织的影响。遗传因素通过参与胰岛素分泌和信号传导、葡萄糖代谢、脂肪生成和体重调节的通路对T2DM易感性产生重要贡献。
FTO蛋白与2型糖尿病
FTO已被证实参与与T2DM相关的多种代谢过程，包括脂肪生成、食欲和能量调节、胰岛素敏感性、线粒体功能以及葡萄糖和脂质代谢。这些效应可能促成与已确立的T2DM危险因素相关的代谢紊乱。然而，FTO蛋白在T2DM发病机制中直接因果作用的证据仍不完整，来自遗传、细胞、动物和人体研究的发现应根据模型系统和证据水平进行解读。
结论
FTO在代谢过程中发挥重要调控作用，证据表明其对能量稳态、脂肪生成、葡萄糖和脂质代谢及胰岛素分泌具有组织特异性效应。然而，这些效应可能通过FTO基因座和蛋白水平的不同机制产生。FTO基因座内的肥胖相关变异可通过长距离调控通路影响邻近基因，而FTO蛋白作为具有多种RNA底物的RNA去甲基化酶发挥作用。部分组织特异性效应的方向和机制（尤其是涉及胰腺β细胞功能的效应）在不同实验模型间仍不一致。此外，大多数机制证据来自细胞和动物研究，而来自组织特异性人体研究的直接证据仍然有限。FTO变异和FTO蛋白活性对代谢疾病的因果贡献尚未完全确立，遗传关联不应被解释为FTO依赖性因果关系的直接证据。因此，现有证据尚不能将FTO确立为经过验证的临床生物标志物。未来研究应优先开展人体组织中的组织特异性研究、对拟议的FTO依赖性通路进行严格的因果验证，并鉴定额外的分子通路。鉴于FTO完全基因缺失与小鼠严重生长异常和早期死亡相关，这些证据对于确定FTO调节能否在不干扰其生理功能的情况下提供治疗获益至关重要。
