食物中的 miRNA 是否会影响基因表达

编译 希区客

研究表明，食物中的遗传物质可以转移至食用者体内，影响后者的基因表达。不过有一些研究人员对此表示怀疑。

美国路易斯维尔大学微生物与免疫学系终身教授张黄阁证明葡萄内的纳米颗粒可以提供具有治疗效果的RNA

在2011年9月之前，亚诺斯·曾普利尼（Janos Zempleni）的工作重点是研究哺乳动物的身体如何利用维生素等化合物。但在看到一份在线发表的新研究后，他改变了研究方向。

这位美国内布拉斯加大学林肯分校的分子营养学家与许多同行一样，对那份载于《细胞研究》（CellResearch）上的研究结果感到震惊：食物可以提供营养素以外的其他东西——某些植物的遗传物质在被哺乳动物吸收后可以改变后者的基因表达。作者在论文中表示，他们在小鼠、牛和人类的血液中发现了源自水稻等植物的微小RNA（miRNA，一类长度约为22个核苷酸的非编码单链RNA分子）；一种来自水稻的miRNA似乎到达了模式小鼠的肝脏部位，并直接抑制了其中一个基因的表达，该基因通常负责从血液中清除“坏的”低密度脂蛋白胆固醇的工作。在了解这项新研究后，曾普利尼非常希望顺着该思路继续探索食物里的遗传物质的转移可能性，并确定此类现象的普遍性。

当约翰霍普金斯大学医学院的分子生物学家肯尼斯·威特（Kenneth Witwer）读到此论文时，他立即意识到这项工作的巨大潜力。他回忆当时的内心活动：“我觉得这太神奇了。我也想做这方面研究，或许这是一种演化保守性（evolutionarily conserved）方式，我们通过此方式从食物中摄取其他关键因素，而不仅仅是营养素。”威特利用自己实验室的资源，着手尝试通过一些小型动物研究来验证论文的结果。

然而，威特等人不仅复制不出论文结果，甚至对其基本前提感到怀疑——食物中的miRNA含量真的足够高吗，高到足以助其进入动物宿主的体循环，进而产生有意义的影响？后续研究还显示，“饮食来源的”miRNA其实很可能是污染的结果。

同行们一开始对于“水稻的miRNA可能影响人体基因表达”这件事的兴奋之情随着质疑声响起而消退。包括威特在内的一些科学家完全放弃了相关研究，不过还有其他人坚信饮食与基因间的关联——关键在于要更清楚地理解人体处理食物以及吸收食物成分的方式。

包裹miRNA的外泌体

在寻找西兰花特有的miRNA未果后，曾普利尼将注意力转向了奶类食物中的miRNA。他说道：“鉴于乳汁与婴幼儿健康间的关联是一个非常重要的课题，再加上美国人消耗大量的牛奶，因此我们选择奶类作为研究对象。”

曾普利尼想知道奶类食物里的miRNA是否会出离胃肠道，但很快就遇到了一个问题：miRNA分子本身会在肠道内迅速降解。“我们意识到真正重要的不只是miRNA，包裹miRNA的外壳至少也是同样重要的。”此类外壳被称为“外泌体”（exosome），呈囊泡状，直径几十至上百纳米。曾普利尼说道：“要具备生物可利用性且能通过肠道被人体吸收，miRNA必须由外泌体封装起来。”其他研究者已经证明，脆弱的miRNA需要外泌体的保驾护航。

外泌体在宿主的消化道内保护miRNA，而对于曾普利尼来说，下一个挑战是弄清楚它们在人体不同部位运作的机制。他和同事用荧光化合物标记奶类食物外泌体中的miRNA，然后追踪标记物在摄入了奶类的小鼠体内的位置，进而判断它们是否可以离开肠道。曾普利尼表示：“这项技术证实，如果将这些miRNA封装于外泌体中，它们会出离肠道，进入并积聚于各类组织。”除了肠粘膜，大脑和肝脏也是miRNA两大主要积聚部位。

这证明了miRNA不仅可以在近程区域（肠壁）活动，还能到达远程位点。之后，曾普利尼决定研究“包含miRNA的外泌体如何影响宿主健康”这一问题。他开展了许多实验，比较有无miRNA的饮食对实验动物各项生理机能的影响。

他给小鼠提供了两种饮食方案，一种是既缺乏游离miRNA也没有外泌体包裹的miRNA的饮食，另一种则是作为对照组的常规饮食。结果，他发现实验组的小鼠认知能力下降，生殖能力下降，肌肉生长情况也变差了。

曾普利尼现在正试图确定这些生理机能的减退是由饮食中的miRNA不足所引起，还是因缺乏完整外泌体或外泌体里某些组成部分所导致的。他和同事目前正研究一组乳汁不含miRNA的小鼠（经过基因工程改造），初步的发现（尚未发表）是它们的后代（其唯一的食物来源即为母亲的乳汁）存在许多健康和发育问题。如果该结果最终得到确证，那么我们在某种程度上可以认为食物里的miRNA的确与机体健康密切相关——至少乳汁里的miRNA之于早期生命是如此。

曾普利尼表示“乳汁里的miRNA和外泌体相比植物中的，生物利用性更强”，这种情况或许具有进化学基础——婴儿的营养需求可能使它们不得不具有更高的生物利用性。

肠道内的外泌体活动

在曾普利尼的动物模型研究中，一个基本思路是外泌体会与肠道菌群发生相互作用。这也引出了一个假设：肠道菌群可能会调节乳汁外泌体与哺乳动物宿主细胞之间的通讯。

威特认为针对肠道菌群与外泌体间相互作用的研究将在未来几年内取得重大进展，且极具应用前景：“我们可以将注意力从动物的血液循环转移到肠道。”

有针对大米的研究发现食物里的遗传物质可能会影响基因表达，但后续研究未重复这一发现

致力于探索食用类植物（蔬菜）的miRNA及外泌体对人体健康影响的科学家一直都将肠道作为研究重点。路易斯维尔大学的张黄阁（Huang-Ge Zhang）目前正围绕葡萄柚、胡萝卜及蘑菇等植物性食物，探究其影响机体特定细胞的机制。他观察并分析了植物中的外泌体样纳米颗粒（或者说保护性囊泡），及其内部的“珍宝”：蛋白质、脂质和RNA。2018年，张黄阁报告了生姜的外泌体样纳米颗粒在肠道内的稳定状态，以及它们调节肠道细菌组成的情况。

根据张黄阁的说法，植物的外泌体样纳米颗粒在被哺乳动物摄入后，会以显著的特异性进入肠道的不同细胞。他也已经证明，来自葡萄的外泌体样纳米颗粒可被肠道干细胞吸收，来自葡萄、生姜、胡萝卜和葡萄柚的纳米颗粒会靶向肠道巨噬细胞。

在张黄阁看来，很多早期工作只分析了外泌体样纳米颗粒中的miRNA对宿主健康的影响，实际上，这些囊泡包含蛋白质、脂质、RNA和多糖等多种物质，它们都可能发挥作用。“单个外泌体样纳米颗粒携带的多种因子能被相同的细胞吸收。因此，我们可以看到多种分子调控着多条路径。”

他还持有这样一个想法：如果可以知道哪些宿主细胞（不只是肠道内的）会优先吸收不同植物来源的外泌体样纳米颗粒，那么我们就能组装新型纳米颗粒，用作靶向特定细胞类型的药物递送载体。

张黄阁曾在2008年前后放弃了自己对牛奶外泌体的研究，并表示，与动物来源的外泌体相比，植物内的囊泡具有几个明显的优势：一方面，它们规避了引入牛源性病原体的风险，因此更安全；另一方面，研究人员可以探索源于数千种不同类型植物的外泌体样纳米颗粒以及它们靶向的宿主细胞，因此研究的多样性大大增加。此外，按照张黄阁的说法，相比于植物，奶类外泌体的纯化难度更高，生产大量外泌体所需的成本也更高。

内布拉斯加大学林肯分校的分子生物学家于玖玖（Jiujiu Yu）对植物来源外泌体的临床应用很感兴趣——它们可以从各种植物性食品当中被大量提取出来，方便易得，非常适合大规模生产，这满足临床应用的基本要求。她希望摸清外泌体影响代谢性炎症和肥胖的机制，于是在实验室配置了一套特殊的细胞培养系统，并通过它从生姜或蘑菇中筛选出类外泌体样纳米颗粒，观察并分析它们对炎症（与代谢性疾病有关）相关细胞的影响。

于玖玖致力于确定外泌体样纳米颗粒中负责抗炎作用的部分。她的最新工作显示，只有在极少数情况下，RNA才是囊泡发挥抗炎作用所必需的。她希望进一步探索外泌体样纳米颗粒的其他部分对健康产生的可能影响。“人们关注miRNA，因为它是一个很新颖的东西。常见的蛋白质和脂质并不那么令人兴奋，但我们应该尝试研究这些囊泡的全部组分，而非只关注吸引眼球的事物。”

于玖玖认为，在将植物来源的外泌体样纳米颗粒用于人体治疗之前，我们还需要了解更多内容。她的研究团队发现，从不同杂货店购买的生姜含有不同的外泌体样纳米颗粒，对摄入者产生了不同的健康影响——它们有的抗炎作用很强，有的却只显示了轻微的抗炎效果，还有一部分甚至会促进炎症。于玖玖表示：“这些囊泡存在明显差异，因此，如果我们想将食物中的外泌体用于临床治疗，就必须非常谨慎。我真的很想确定外泌体内真正发挥作用的活性分子。”

与此同时，曾普利尼看到了牛奶外泌体的临床应用希望。他说道：“如果你在牛奶外泌体中加入抗癌药物，虽然这些药物本身的生物利用度或稳定性都不高，但可以借助外泌体递送至癌症患者的肿瘤部位。这真是个大新闻。”位于马萨诸塞州波士顿的生物技术公司PureTech Health已与制药巨头罗氏达成合作，共同开发基于牛奶外泌体的药物递送技术。

他们的最终目标是掌握食物与人类交流的语言，并探究miRNA是否可以成为其中的关键线索。

资料来源Nature