营养素之外：乳汁植物都含有，进肠入血到大脑，啥这么奇妙？

这是《肠道产业》第 297 篇文章

编者按：

食物为我们的机体提供了各种各样的营养素，然而近年的研究发现，食物中的非营养素可能对机体也起着重要的作用，比如 miRNA。

miRNA 是一类由内源基因编码的长度约为 22 个核苷酸的非编码单链 RNA 分子。那么，食物来源的 miRNA 如何避免在肠道中发生分解？对宿主的健康有什么影响？是否与肠道菌群有关？

今天，我们特别编译了最新发表的 Nature Outlook 中的关于食物中 miRNA 如何影响宿主健康的文章。希望本文能够为诸位读者带来一些启发与帮助。

食物提供的不止是营养素？

在 2011 年 9 月之前，Janos Zempleni 一直将精力集中于弄清楚哺乳动物如何利用像维生素这样的化学物质，但当时一篇刚在网上公开的新研究改变了这一切。

Zempleni 是美国内布拉斯加大学的分子营养学家，和许多其他学者一样，他受到了这篇发表于 Cell Research 杂志的研究的冲击。这项研究表明，食物除了提供营养素，还提供了一些其它物质——吃下去的植物“信息”能够调节哺乳动物基因的表达¹。

该研究发现，植物来源如水稻中的 miRNA（非编码的 RNA 短片段）会出现在老鼠、牛和人类的血液中。此外，该研究还发现，在小鼠模型中，一种特定的水稻来源的 miRNA 似乎能到达小鼠肝脏，并直接抑制一个负责清除血液中“坏的”低密度脂蛋白胆固醇的基因的表达。

在深入研究了这篇文献之后，Zempleni 开始追踪膳食成分中可能会发生转移的遗传物质，并尝试确定这种现象的发生有多广泛。

Kenneth Witwer 是马里兰巴尔的约翰霍普金斯医学院的一名分子生物学家，当他读到这篇文献后，他立即意识到了这项工作的潜在意义。

他回忆道：“我当时想，哇，这太惊人了，我也想做这个，我们居然能够从食物中获得除了营养之外的东西，这可能是某种保守的进化方式。”于是，他集结了实验室的一些资源，开始尝试在小型动物试验中验证这一发现。

但是，对发表在 Cell Research 这项研究的质疑很快出现。

不仅是包括 Witwer 在内的许多研究人员无法重现实验结果，而且这项研究的一些基本前提也同样引人发问。科学家们怀疑，饮食来源的 miRNA 是否真的可能成功进入宿主动物的体循环，并拥有足够的水平对宿主产生明显影响。

不幸的是，后续的研究证明，这种“食物来源”的 miRNA 可能是由于污染造成的²。

随之，关于水稻来源的 miRNA 可能带来的潜在健康影响的兴奋逐渐消失，包括 Witwer 在内的一些研究人员完全放弃了对这一方向的研究。

但是另一些研究人员仍然认为，我们吃的东西可以直接影响基因表达，而如果我们能够了解其中的利害，或可帮助我们更好地理解人类与所摄入的食物之间的关系，或者说是帮助人类从食物中获得益处。

图.在水稻上的研究表明，食物中的遗传物质可能会影响基因表达——但是后续的研究不能重复这一发现

外泌体与肠道菌群

在人体内找寻花椰菜中特有的 miRNA 无果后，Zempleni 经历了短暂的失望。不过随即，Zempleni 将他的注意力转移到奶汁中的 miRNA 中。他说：“我们锁定奶汁是因为它对婴儿营养的重要性，而且美国人会喝大量牛奶。”

Zempleni 想知道牛奶中的 miRNA 能否“逃离”胃肠道，但是他很快遇到了问题：miRNA 物质本身就会在肠道中被快速分解。

“我们意识到，真正重要的不只是 miRNA，”Zempleni 说，“同样重要的还有保存这些 miRNA 的‘壳’。”这种壳是一种泡状容器，被称为外泌体。

Zempleni 说：“为了让 miRNA 具有生物可利用性且能被肠道吸收，它们必须被封装进这些外泌体。”就像其他人发现的那样，脆弱的 miRNA 必须被装进这些容器中，才能够在细胞之间传输。

外泌体解决了 miRNA 如何完整存在于宿主消化道中的问题，但是新的挑战是弄明白它们最后怎么出现在机体的不同位置。

为了测试牛奶中的 miRNA 能否“逃离”小鼠肠道，Zempleni 和他的同事设计了一种用荧光物质来标记牛奶外泌体中含有的 miRNA 的方法，并基于该方法在动物模型中追踪这些荧光标记以确定 miRNA 的位置。

“这项技术证实，这些装进外泌体胶囊的 miRNA 会在不同组织中积聚，”他说，“主要是脑部、肝脏和肠道粘膜。” ³

这一结果证实了 miRNA 不仅能够到达近端（肠道壁），也能到达远端部位。基于此，Zempleni 开始展开下游实验，以进一步探究含有 miRNA 的外泌体是如何影响宿主健康的。

Zempleni 比较了两组小鼠，一组小鼠给予缺乏游离 miRNA 和被外泌体包裹的 miRNA 的饮食；另一组小鼠给予正常饮食。结果他发现，接受缺乏 miRNA 饮食的小鼠会出现一系列变化，包括认知表现下降⁴，生殖力下降⁵和肌肉生长变化⁶。

现在，Zempleni 正在探究这些变化究竟是由膳食中的 miRNA 还是其它物质（如除了 miRNA 之外的外泌体整体或部分组分）造成的。

他和他的同事正在观察一组喂养不含 miRNA 的母乳的小鼠。未发表的初步结果表明，摄食缺乏 miRNA 的母乳的小鼠后代存在许多健康和发育问题。如果得到进一步证实，这可能会帮助我们阐明饮食中的 miRNA，至少是生命早期母乳中的 miRNA，对健康的重要作用。

Zempleni 说：“奶汁中的 miRNA 和外泌体比植物中的具有更高的生物利用性。”他推测这可能有一些进化学的基础背景：“由于婴儿营养的关系，自然界可能使得乳汁中的这些 miRNA 和外泌体更易被生物利用。”

目前，Zempleni 正在研究其它动物来源的食物，在其中一个正在进行的实验中，他在观察追踪鸡蛋中的外泌体是如何把 miRNA 运输到小鼠组织中的。

实际上，Zempleni 的许多动物研究是基于外泌体与肠道菌群之间存在互作的这一观点，因为肠道菌群能够通过饮食影响宿主的健康。这也形成了一个假设：肠道菌群可能会参与介导乳源外泌体和哺乳动物宿主之间的细胞通讯。

Witwer 预计未来几年该领域的大部分进展都会出现在这一方向，他说：“我们可以把我们的关注点从动物体循环和组织转移到肠道。”他认为，有望发现膳食来源的外泌体与肠道上皮细胞或是特定的肠道菌群之间的相互作用。

图.Huang-Ge Zhang 已经证明了葡萄中的类外泌体可以传递治疗性 RNA。

外泌体还是类外泌体？

肠道——同样也是研究膳食植物中非营养成分的健康作用的研究者们的核心关注点。

肯塔基州路易斯维尔大学的免疫学家 Huang-Ge Zhang 正在研究植物性食物（如西柚、胡萝卜和蘑菇）如何影响特定细胞。他研究的是植物来源的外泌体，这一类外泌体准确被称为“类外泌体”（exosome-like nanoparticles），它们是一种内含蛋白、脂肪和 RNA 的保护性囊泡。2018 年，Zhang 报道了姜类外泌体如何稳定存在于肠道中，以及它们如何调节肠道菌群组成⁷。

关于该研究《热心肠日报》做过相关报道：

Cell子刊：外泌体miRNA——植物食物影响肠道菌群的新机制

Cell Host and Microbe——[15.753]

① 肠道细菌可有偏好的吸收植物外泌体样纳米颗粒（ELN），与ELN脂质组成有关；② 生姜ELN易被乳杆菌吸收，所含RNA可调节鼠李糖乳杆菌（LGG）的基因表达和代谢物，影响菌群组成和宿主生理；③ gma-miR396e可下调LGG转录抑制子LexA，促进LGG生长；④ mdo-miRNA7267-3p可下调LGG单加氧酶ycnE，促进生成吲哚-3-甲醛，经激活芳香烃受体通路诱导IL-22，改善小鼠肠道屏障、减轻结肠炎；⑤ miR167a-5p可下调LGG菌毛蛋白SpaC，防止LGG在肠黏膜聚集和入侵。

Plant-Derived Exosomal MicroRNAs Shape the Gut Microbiota
2018-10-25, doi: 10.1016/j.chom.2018.10.001

【主编评语】如何用特定食物成分来调节特定肠道共生菌，很多机制仍不明确。Cell Host and Microbe近期发表来自华人学者Huang-Ge Zhang和Yun Teng主导的研究，发现植物的外泌体样纳米颗粒（ELN）可被肠道细菌摄取，所含的miRNA可直接调控特定细菌的基因表达和代谢物，从而影响菌群组成和宿主生理，说明植物ELN可被用于肠道细菌的定向调控。（@mildbreeze）

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根据 Zhang 的研究，当类外泌体进入哺乳动物体后，哺乳动物肠道中具有不同特性的细胞会有偏好性地吸收这些类外泌体。比如肠道干细胞会吸收葡萄中的类外泌体⁸，而生姜、胡萝卜和西柚中的类外泌体则会进入肠道相关的巨噬细胞⁹。

Zhang 认为这些类外泌体中的 miRNA 可能在之前的研究中被错误地认为是影响宿主健康的唯一原因。

他表示，因为类外泌体是由蛋白质、脂肪、RNA 和多糖共同组成的，所以这些物质可能同时在发挥效应。他说：“一个囊泡携带的诸多物质可以同时被同一个细胞吸收，因此，我们能够看到多种分子通过不同的通路起到调节作用。”

Zhang 希望通过研究宿主细胞（肠道中或其他部位）对不同植物来源的类外泌体的偏好性，以实现组装新的类外泌体作为药物运输的载体到达机体的不同类型细胞中。

有趣的是，在 2008 年左右，Zhang 放弃了对牛奶中外泌体的研究，因为他觉得相比于动物来源的外泌体，植物的类外泌体具有更明显的好处。

首先，类外泌体比动物来源的外泌体更加安全，因为类外泌体可以避免任何来源于牛的病原体的传输；其次，类外泌体具有更多功能——研究靶向特定类型细胞的药物开发者可以探索数千种不同类型的植物类外泌体，因为每种类外泌体都在宿主内有自己的靶点。

此外，Zhang 说，相比于植物类外泌体，牛奶外泌体的纯化极具挑战性，生产大量的外泌体成本也更高。

来自内布拉斯加大学的另一位分子生物学家 Jiujiu Yu，对植物来源的囊泡在治疗上的潜力很感兴趣，因为它们可以从多种植物性食物中提取。

她特别想知道，类外泌体是如何影响代谢免疫和肥胖的。为此，她的实验室开发了一个细胞培养系统，帮助他们从生姜或蘑菇中筛选膳食来源的类外泌体，并弄清这些类外泌体是如何影响与代谢疾病相关的炎症过程有关的细胞的。

Yu 正在集中精力确认负责抗炎作用的那部分类外泌体。她尚未发表的最新研究表明，只有在极少数的情况下，囊泡中的 RNA 成分才会起到抗炎作用。同时，她还想确定另一个问题——是否来源于特定食物中的类外泌体的任何成分都可能起到一定的健康作用。

Yu 说： “人们起初聚焦于 miRNA，因为这是一种新的成分，而蛋白质和脂肪并不那么令人兴奋，但是我们应该尝试研究囊泡中的所有成分，而不是只专注于吸引眼球的那些。”

Yu 认为，在植物中的类外泌体投入医疗用途之前，仍然有非常多需要了解。她的实验室发现，从不同的市场上购买的生姜中含有不同的类外泌体，从而会造成不同的结果¹⁰。不同的囊泡可能会具有强烈或轻微的抗炎作用，甚至还有一些囊泡可能具有促炎作用。

“这其中存在矛盾，所以如果我们想在治疗中使用这些膳食中的囊泡，必须要非常小心，”她说，“我想要进一步确认其中的活性物质。”

不过，Zempleni 则认为乳源外泌体的应用前景光明。

“如果你用乳源外泌体作为癌症药物的载体，那么你可以利用它们把药物输送到癌症病人的肿瘤部位——即便药物本身并没有很好的生物利用率或是并没有十分稳定，”Zempleni 说，“这是最近的大新闻。”

事实上，马萨诸塞州波士顿的 PureTech Health 已经在与药物巨头罗氏合作，开始研究利用乳源外泌体作为药物输送载体的前沿技术了。

总之，我们最终的目标是学习食物与我们交流的语言，并探索 miRNA 是否是这一交流的关键。

参考文献：

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1.Zhang, L. et al. Cell Res. 22, 107–126 (2012).2.Tosar, J. P., Rovira, C., Naya, H. & Cayota, A. RNA 20, 754–757 (2014).3.Manca, S. et al. Sci. Rep. 8, 11321 (2018).4.Mutai, E., Zhou, F. & Zempleni, J. FASEB J. 31, abstr. 150.4 (2017).5.Mahrou, S., Xie, F., Wood, J. & Zempleni, J. FASEB J. 30, abstr. 673.5 (2016).6.Parry, H. A. et al. Front. Physiol. https://doi.org/10.3389/fphys.2019.00436 (2019).7.Teng, Y. et al. Cell Host Microbe 24, 637–652 (2018).8.Songwen, J. et al. Mol. Ther. 21, 1345–1357 (2013).9.Mu, J. et al. Mol. Nutr. Food Res. 58, 1561–1573 (2014).10.Chen, X., Zhou, Y. & Yu, J. Mol. Pharm. 16, 2690–2699 (2019).

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原文链接：https://www.nature.com/articles/d41586-020-01767-x

作者｜Kristina Campbell

编译｜C。

审校｜617

编辑｜笑咲

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