重磅！研究表明植物miRNA不僅能調控人類基因，甚至能抗癌！

來源 | BioWorld（ID：ibioworld）

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前言：MicroRNA (miRNA) 是一類內生的、長度約為20-24個核苷酸的小RNA，在細胞內具有多種重要的調節作用。miRNA在不同的物種間高度保守，近年來陸續有研究認為miRNA可以跨物種調控基因表達。

2018年1月3日，美國賓夕法尼亞州立大學的研究團隊在Nature雜誌上在線發表了題為「MicroRNAs from the parasitic plant Cuscuta campestris target host messenger RNAs」的研究論文（圖1）。該研究發現菟絲子的miRNA能夠跨物種靶向寄主mRNA從而調控其基因表達，表明這些miRNA具有作為致病因子的功能，在菟絲子寄生過程中起作用。

圖1

Nature的這篇文章miRNA跨物種調控的研究讓我們不由得想到2012年南京大學生命科學院張辰宇教授的一篇「令人驚訝」的文章：Exogenous plant MIR168a specifically targets mammalian LDLRAP1: evidence of cross-kingdom regulation by microRNA（圖2）。該研究發現食物中的外源植物miRNA可以調控哺乳動物靶基因的表達。

註：Nature的這項研究和張教授的研究還是有所區別，菟絲子是寄生植物，和寄主植物直接相連。與動物通過消化吸收穫取植物miRNA還是有所不同。

張教授的這篇文章發表過程也是非常曲折，先後被Nature、Science拒稿，最後發表在Cell Research，截止到現在谷歌學術顯示該文章引用量高達642。

圖2

2015年，張辰宇教授再次在Cell Research發表研究文章：Honeysuckle-encoded atypical microRNA2911 directly targets influenza A viruses（圖3）。該研究認為金銀花中的MIR2911可以被小鼠吸收，並直接靶向甲流病毒，從而抑制病毒複製。

圖3

2017年8月，張辰宇教授作為共同通訊作者在PLOS Genetics發表研究文章：Plant microRNAs in larval food regulate honeybee caste development（圖4）。蜂糧里的植物miRNA通過抑制蜜蜂幼蜂的卵巢和整體的生長發育，使之成為工蜂。這與之前認為蜂王漿中含有特殊物質讓幼蜂發育成蜂王的認識恰好相反。

圖4

之前，張教授團隊發現miRNA可在人類和動物的血清和血漿中穩定存在。最近的研究表明來自人血漿的微泡（MV）是微粒、外泌體和其他囊泡結構的混合物，並且人血漿中許多類型的MV含有miRNA。進一步研究表明，miRNAs可以選擇性地包裹進MV中，並主動遞送到受體細胞中，外源miRNA可以調節靶基因表達和受體細胞功能。

人和動物的血清和血漿中有外源植物miRNA，在血清和血漿中檢測到的植物miRNA的一半以上存在於MV中。進一步的體外和體內分析首次證實，食物來源的外源植物MIR168a可以通過小鼠胃腸途徑並進入循環和各種器官，特別是在肝臟中跨物種調節小鼠LDLRAP1蛋白表達。

植物miRNA存在於人和動物血清和器官中

通過調查人血清中全部miRNA表達譜，發現外源植物miRNA在中國健康男性和女性的血清中一直存在。其中MIR156a和MIR168a顯示出相當程度的表達（圖5A）。測試的植物miRNA明顯存在於人、小鼠和小牛的血清中，與已知穩定存在於動物血清中的內源miRNA相比，這些植物miRNA相對較低，但濃度範圍相似（圖5B）。

圖5

圖6--測序發現植物miRNA存在於小鼠的各個組織器官中

食物中的外源成熟植物miRNA可通過小鼠胃腸道進入血清和器官

植物MIR168a和MIR156a在各種植物中較為富集，包括水稻和十字花科植物，而水稻是中國主要的食物，人和動物血清和組織中的植物miRNA主要通過食物攝取。通過模擬胃腸道的酸性環境，發現酸性環境並沒有顯著影響miRNA的產量和質量，大多數植物miRNA和哺乳動物miRNA在酸性條件下至少能存在6小時。

植物MIR168a與哺乳動物LDLRAP1的外顯子4結合併在體外降低其蛋白表達

生物信息學分析預測植物MIR168a可以靶向大約50個哺乳動物基因。預測的結合位點在各種物種中最高度保守的序列位於低密度脂蛋白受體銜接蛋白1（LDLRAP1）的外顯子4。

在人類和動物的血清和組織中未檢測到植物pri-miRNA或植物pre-miRNA，而且單鏈成熟MIR168a很可能是動物通過胃腸道吸收的形式。通過用等量的單鏈成熟植物MIR168a轉染HepG2細胞後，HepG2細胞中成熟MIR168a水平提高了約10000倍，並觀察到伴隨LDLRAP1的減少。證明單鏈成熟植物MIR168a可以在體外結合併降低LDLRAP1的表達。

包裹植物成熟MIR168a的微泡可以降低哺乳動物細胞中的LDLRAP1蛋白水平

小腸的上皮細胞吸收植物miRNA，然後將其包裹到微泡，並將其釋放到循環系統中，進而外源植物miRNA傳遞給其他器官的靶細胞，並調節受體細胞的功能。

圖7

大米餵養誘導小鼠肝臟LDLRAP1蛋白質減少的現象，在抗MIR168a ASO餵食6小後得到逆轉

為了確定MIR168a對LDLRAP1的抑制作用的特異性，排除其他干擾，在大米餵食期間將抗MIR168a反義寡核苷酸（ASO）靜脈內注射到小鼠體內。 抗MIR168a ASO的注射不僅顯著降低了新鮮稻米餵養小鼠肝臟中的MIR168a水平（圖8A），而且顯著逆轉了由新鮮稻米衍生的MIR168a引起的小鼠肝臟LDLRAP1的降低（圖8B和8C）。這些結果表明，外源植物miRNA能夠通過食物攝取進入哺乳動物的血清和器官，並且植物MIR168a可以結合位於哺乳動物LDLRAP1的外顯子4中的核苷酸序列，抑制體內LDLRAP1的表達。

圖8

外源MIR168a抑制小鼠肝臟LDLRAP1表達，並在食物攝取後3天升高血漿LDL-膽固醇水平

LDL是人血漿中主要的攜帶膽固醇的脂蛋白，在動脈粥樣硬化的發病機制中起著至關重要的作用。LDLRAP1的下調會降低肝細胞內LDL的含量，並損害血漿中LDL的去除。

新鮮大米餵食後，小鼠體內的植物MIR168a含量明顯上升（圖9N），LDLRAP1表達了隨之顯著下降（圖9P），3天後，血漿中LDL-膽固醇水平顯著上升（圖9Q）。

圖9

整篇文章數據詳實，思路清晰嚴謹，但研究結果受到了部分質疑，BioWorld特邀請南京大學生命科學院張博士針對主要幾個疑問進行了解答。

1、miRNA並不很穩定，如何通過胃部惡劣的環境並被吸收後運輸到靶細胞和組織？

miRNA在胃中可以相對穩定存在，在文章中也有對應的描述（體外模擬胃中的酸性環境），張教授課題組正在研究miRNA被吸收和轉運的途徑，目前已取得良好進展。

2、如何區分植物來源的miRNAs和動物自身的miRNAs？

首先是序列，目前已知動植物沒有重合的miRNA序列，同時排除哺乳動物基因組的影響，其次是植物相比於動物來說miRNA是甲基化的，可以通過是否甲基化來確認miRNA來源。

3、被吸收的miRNA量是否足夠在動物體內行使調節作用？

公認的miRNA在細胞中的reads數大於100才相對在細胞中形式功能，經過換算驗證，miR168a的含量已經超過這一數值。

4、是否有權威性研究證實植物miRNA對包括人在內的哺乳動物的調控作用？

相關的研究支持越來越多，最直接的一個支持是來自美國City of Hope國家醫療中心的Emily Wang於2016年發表在Cell Research的文章Cross-kingdom inhibition of breast cancer growth by plant miR159，證實植物miR159抑制乳腺癌的發展。

張教授的微信名是：冷豬肉 張辰宇，著名歷史學家范文瀾曾說過：坐得冷板凳，吃得冷豬肉。在古代，道德高、學問深、成就大的人死後牌位可以放在文廟裡，與孔聖人一起分享人們供奉的冷豬肉。只有年復一年日復一日地刻苦鑽研，耐得住寂寞，坐得「冷板凳」，才能取得成功，享受到祭孔的「冷豬肉」。

參考文獻

1、Shahid Saimaet al. MicroRNAs from the parasitic plant Cuscuta campestris target host messenger RNAs.[J] .Nature, 2018, 553(7686): 82-85.

2、Zhang Lin,et al. Exogenous plant MIR168a specifically targets mammalian LDLRAP1: evidence of cross-kingdom regulation by microRNA.[J] .Cell Res., 2012, 22(1): 107-26.

3、Zhou Zhen,et al. Honeysuckle-encoded atypical microRNA2911 directly targets influenza A viruses.[J] .Cell Res., 2015, 25(1): 39-49.

4、Chin Andrew R,et al. Cross-kingdom inhibition of breast cancer growth by plant miR159.[J] .Cell Res., 2016, 26(2): 217-28.

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