食物中的 miRNA 是否會影響基因表達

編譯 希區客

研究表明，食物中的遺傳物質可以轉移至食用者體內，影響后者的基因表達。不過有一些研究人員對此表示懷疑。

美國路易斯維爾大學微生物與免疫學系終身教授張黃閣證明葡萄內的納米顆粒可以提供具有治療效果的RNA

在2011年9月之前，亞諾斯·曾普利尼（Janos Zempleni）的工作重點是研究哺乳動物的身體如何利用維生素等化合物。但在看到一份在線發表的新研究后，他改變了研究方向。

這位美國內布拉斯加大學林肯分校的分子營養學家與許多同行一樣，對那份載于《細胞研究》（CellResearch）上的研究結果感到震驚：食物可以提供營養素以外的其他東西——某些植物的遺傳物質在被哺乳動物吸收后可以改變后者的基因表達。作者在論文中表示，他們在小鼠、牛和人類的血液中發現了源自水稻等植物的微小RNA（miRNA，一類長度約為22個核苷酸的非編碼單鏈RNA分子）；一種來自水稻的miRNA似乎到達了模式小鼠的肝臟部位，并直接抑制了其中一個基因的表達，該基因通常負責從血液中清除“壞的”低密度脂蛋白膽固醇的工作。在了解這項新研究后，曾普利尼非常希望順著該思路繼續探索食物里的遺傳物質的轉移可能性，并確定此類現象的普遍性。

當約翰霍普金斯大學醫學院的分子生物學家肯尼斯·威特（Kenneth Witwer）讀到此論文時，他立即意識到這項工作的巨大潛力。他回憶當時的內心活動：“我覺得這太神奇了。我也想做這方面研究，或許這是一種演化保守性（evolutionarily conserved）方式，我們通過此方式從食物中攝取其他關鍵因素，而不僅僅是營養素?！蓖乩米约簩嶒炇业馁Y源，著手嘗試通過一些小型動物研究來驗證論文的結果。

然而，威特等人不僅復制不出論文結果，甚至對其基本前提感到懷疑——食物中的miRNA含量真的足夠高嗎，高到足以助其進入動物宿主的體循環，進而產生有意義的影響？后續研究還顯示，“飲食來源的”miRNA其實很可能是污染的結果。

同行們一開始對于“水稻的miRNA可能影響人體基因表達”這件事的興奮之情隨著質疑聲響起而消退。包括威特在內的一些科學家完全放棄了相關研究，不過還有其他人堅信飲食與基因間的關聯——關鍵在于要更清楚地理解人體處理食物以及吸收食物成分的方式。

包裹miRNA的外泌體

在尋找西蘭花特有的miRNA未果后，曾普利尼將注意力轉向了奶類食物中的miRNA。他說道：“鑒于乳汁與嬰幼兒健康間的關聯是一個非常重要的課題，再加上美國人消耗大量的牛奶，因此我們選擇奶類作為研究對象?！?/p>

曾普利尼想知道奶類食物里的miRNA是否會出離胃腸道，但很快就遇到了一個問題：miRNA分子本身會在腸道內迅速降解。“我們意識到真正重要的不只是miRNA，包裹miRNA的外殼至少也是同樣重要的?！贝祟愅鈿け环Q為“外泌體”（exosome），呈囊泡狀，直徑幾十至上百納米。曾普利尼說道：“要具備生物可利用性且能通過腸道被人體吸收，miRNA必須由外泌體封裝起來?！逼渌芯空咭呀涀C明，脆弱的miRNA需要外泌體的保駕護航。

外泌體在宿主的消化道內保護miRNA，而對于曾普利尼來說，下一個挑戰是弄清楚它們在人體不同部位運作的機制。他和同事用熒光化合物標記奶類食物外泌體中的miRNA，然后追蹤標記物在攝入了奶類的小鼠體內的位置，進而判斷它們是否可以離開腸道。曾普利尼表示：“這項技術證實，如果將這些miRNA封裝于外泌體中，它們會出離腸道，進入并積聚于各類組織?！背四c粘膜，大腦和肝臟也是miRNA兩大主要積聚部位。

這證明了miRNA不僅可以在近程區域（腸壁）活動，還能到達遠程位點。之后，曾普利尼決定研究“包含miRNA的外泌體如何影響宿主健康”這一問題。他開展了許多實驗，比較有無miRNA的飲食對實驗動物各項生理機能的影響。

他給小鼠提供了兩種飲食方案，一種是既缺乏游離miRNA也沒有外泌體包裹的miRNA的飲食，另一種則是作為對照組的常規飲食。結果，他發現實驗組的小鼠認知能力下降，生殖能力下降，肌肉生長情況也變差了。

曾普利尼現在正試圖確定這些生理機能的減退是由飲食中的miRNA不足所引起，還是因缺乏完整外泌體或外泌體里某些組成部分所導致的。他和同事目前正研究一組乳汁不含miRNA的小鼠（經過基因工程改造），初步的發現（尚未發表）是它們的后代（其唯一的食物來源即為母親的乳汁）存在許多健康和發育問題。如果該結果最終得到確證，那么我們在某種程度上可以認為食物里的miRNA的確與機體健康密切相關——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和外泌體相比植物中的，生物利用性更強”，這種情況或許具有進化學基礎——嬰兒的營養需求可能使它們不得不具有更高的生物利用性。

腸道內的外泌體活動

在曾普利尼的動物模型研究中，一個基本思路是外泌體會與腸道菌群發生相互作用。這也引出了一個假設：腸道菌群可能會調節乳汁外泌體與哺乳動物宿主細胞之間的通訊。

威特認為針對腸道菌群與外泌體間相互作用的研究將在未來幾年內取得重大進展，且極具應用前景：“我們可以將注意力從動物的血液循環轉移到腸道?！?/p>

有針對大米的研究發現食物里的遺傳物質可能會影響基因表達，但后續研究未重復這一發現

致力于探索食用類植物（蔬菜）的miRNA及外泌體對人體健康影響的科學家一直都將腸道作為研究重點。路易斯維爾大學的張黃閣（Huang-Ge Zhang）目前正圍繞葡萄柚、胡蘿卜及蘑菇等植物性食物，探究其影響機體特定細胞的機制。他觀察并分析了植物中的外泌體樣納米顆粒（或者說保護性囊泡），及其內部的“珍寶”：蛋白質、脂質和RNA。2018年，張黃閣報告了生姜的外泌體樣納米顆粒在腸道內的穩定狀態，以及它們調節腸道細菌組成的情況。

根據張黃閣的說法，植物的外泌體樣納米顆粒在被哺乳動物攝入后，會以顯著的特異性進入腸道的不同細胞。他也已經證明，來自葡萄的外泌體樣納米顆?？杀荒c道干細胞吸收，來自葡萄、生姜、胡蘿卜和葡萄柚的納米顆粒會靶向腸道巨噬細胞。

在張黃閣看來，很多早期工作只分析了外泌體樣納米顆粒中的miRNA對宿主健康的影響，實際上，這些囊泡包含蛋白質、脂質、RNA和多糖等多種物質，它們都可能發揮作用。“單個外泌體樣納米顆粒攜帶的多種因子能被相同的細胞吸收。因此，我們可以看到多種分子調控著多條路徑?！?/p>

他還持有這樣一個想法：如果可以知道哪些宿主細胞（不只是腸道內的）會優先吸收不同植物來源的外泌體樣納米顆粒，那么我們就能組裝新型納米顆粒，用作靶向特定細胞類型的藥物遞送載體。

張黃閣曾在2008年前后放棄了自己對牛奶外泌體的研究，并表示，與動物來源的外泌體相比，植物內的囊泡具有幾個明顯的優勢：一方面，它們規避了引入牛源性病原體的風險，因此更安全；另一方面，研究人員可以探索源于數千種不同類型植物的外泌體樣納米顆粒以及它們靶向的宿主細胞，因此研究的多樣性大大增加。此外，按照張黃閣的說法，相比于植物，奶類外泌體的純化難度更高，生產大量外泌體所需的成本也更高。

內布拉斯加大學林肯分校的分子生物學家于玖玖（Jiujiu Yu）對植物來源外泌體的臨床應用很感興趣——它們可以從各種植物性食品當中被大量提取出來，方便易得，非常適合大規模生產，這滿足臨床應用的基本要求。她希望摸清外泌體影響代謝性炎癥和肥胖的機制，于是在實驗室配置了一套特殊的細胞培養系統，并通過它從生姜或蘑菇中篩選出類外泌體樣納米顆粒，觀察并分析它們對炎癥（與代謝性疾病有關）相關細胞的影響。

于玖玖致力于確定外泌體樣納米顆粒中負責抗炎作用的部分。她的最新工作顯示，只有在極少數情況下，RNA才是囊泡發揮抗炎作用所必需的。她希望進一步探索外泌體樣納米顆粒的其他部分對健康產生的可能影響。“人們關注miRNA，因為它是一個很新穎的東西。常見的蛋白質和脂質并不那么令人興奮，但我們應該嘗試研究這些囊泡的全部組分，而非只關注吸引眼球的事物?！?/p>

于玖玖認為，在將植物來源的外泌體樣納米顆粒用于人體治療之前，我們還需要了解更多內容。她的研究團隊發現，從不同雜貨店購買的生姜含有不同的外泌體樣納米顆粒，對攝入者產生了不同的健康影響——它們有的抗炎作用很強，有的卻只顯示了輕微的抗炎效果，還有一部分甚至會促進炎癥。于玖玖表示：“這些囊泡存在明顯差異，因此，如果我們想將食物中的外泌體用于臨床治療，就必須非常謹慎。我真的很想確定外泌體內真正發揮作用的活性分子?！?/p>

與此同時，曾普利尼看到了牛奶外泌體的臨床應用希望。他說道：“如果你在牛奶外泌體中加入抗癌藥物，雖然這些藥物本身的生物利用度或穩定性都不高，但可以借助外泌體遞送至癌癥患者的腫瘤部位。這真是個大新聞。”位于馬薩諸塞州波士頓的生物技術公司PureTech Health已與制藥巨頭羅氏達成合作，共同開發基于牛奶外泌體的藥物遞送技術。

他們的最終目標是掌握食物與人類交流的語言，并探究miRNA是否可以成為其中的關鍵線索。

資料來源Nature