miRNA的跨界调控：植物miRNA能调控人类基因，甚至能抗癌
前言：MicroRNA (miRNA) 是一类内生的、长度约为20-24个核苷酸的小RNA，在细胞内具有多种重要的调节作用。miRNA在不同的物种间高度保守，近年来陆续有研究认为miRNA可以跨物种调控基因表达。
2018年1月3日，美国宾夕法尼亚州立大学的研究团队在Nature杂志上在线发表了题为“MicroRNAs from the parasitic plant Cuscuta campestris target host messenger RNAs”的研究论文（图1）。该研究发现菟丝子的miRNA能够跨物种靶向寄主mRNA从而调控其基因表达，表明这些miRNA具有作为致病因子的功能，在菟丝子寄生过程中起作用。
图1
Nature的这篇文章miRNA跨物种调控的研究让我们不由得想到2012年南京大学生命科学院张辰宇教授的一篇“令人惊讶”的文章：Exogenous plant MIR168a specifically targets mammalian LDLRAP1: evidence of cross-kingdom regulation by microRNA（图2）。该研究发现食物中的外源植物miRNA可以调控哺乳动物靶基因的表达。
注：Nature的这项研究和张教授的研究还是有所区别，菟丝子是寄生植物，和寄主植物直接相连。与动物通过消化吸收获取植物miRNA还是有所不同。
张教授的这篇文章发表过程也是非常曲折，先后被Nature、Science拒稿，最后发表在Cell Research，截止到现在谷歌学术显示该文章引用量高达642。
图2
2015年，张辰宇教授再次在Cell Research发表研究文章：Honeysuckle-encoded atypical microRNA2911 directly targets influenza A viruses（图3）。该研究认为金银花中的MIR2911可以被小鼠吸收，并直接靶向甲流病毒，从而抑制病毒复制。
图3
2017年8月，张辰宇教授作为共同通讯作者在 PLOS Genetics发表研究文章：Plant microRNAs in larval food regulate honeybee caste development（图4）。蜂粮里的植物miRNA通过抑制蜜蜂幼蜂的卵巢和整体的生长发育，使之成为工蜂。这与之前认为蜂王浆中含有特殊物质让幼蜂发育成蜂王的认识恰好相反。
图4
之前，张教授团队发现miRNA可在人类和动物的血清和血浆中稳定存在。最近的研究表明来自人血浆的微泡（MV）是微粒、外泌体和其他囊泡结构的混合物，并且人血浆中许多类型的MV含有miRNA。进一步研究表明，miRNAs可以选择性地包裹进MV中，并主动递送到受体细胞中，外源miRNA可以调节靶基因表达和受体细胞功能。
人和动物的血清和血浆中有外源植物miRNA，在血清和血浆中检测到的植物miRNA的一半以上存在于MV中。进一步的体外和体内分析首次证实，食物来源的外源植物MIR168a可以通过小鼠胃肠途径并进入循环和各种器官，特别是在肝脏中跨物种调节小鼠LDLRAP1蛋白表达。
植物miRNA存在于人和动物血清和器官中
通过调查人血清中全部miRNA表达谱，发现外源植物miRNA在中国健康男性和女性的血清中一直存在。其中MIR156a和MIR168a显示出相当程度的表达（图5A）。测试的植物miRNA明显存在于人、小鼠和小牛的血清中，与已知稳定存在于动物血清中的内源miRNA相比，这些植物miRNA相对较低，但浓度范围相似（图5B）。
图5
图6--测序发现植物miRNA存在于小鼠的各个组织器官中
食物中的外源成熟植物miRNA可通过小鼠胃肠道进入血清和器官
植物MIR168a和MIR156a在各种植物中较为富集，包括水稻和十字花科植物，而水稻是中国主要的食物，人和动物血清和组织中的植物miRNA主要通过食物摄取。通过模拟胃肠道的酸性环境，发现酸性环境并没有显著影响miRNA的产量和质量，大多数植物miRNA和哺乳动物miRNA在酸性条件下至少能存在6小时。
植物MIR168a与哺乳动物LDLRAP1的外显子4结合并在体外降低其蛋白表达
生物信息学分析预测植物MIR168a可以靶向大约50个哺乳动物基因。预测的结合位点在各种物种中最高度保守的序列位于低密度脂蛋白受体衔接蛋白1（LDLRAP1）的外显子4。
在人类和动物的血清和组织中未检测到植物pri-miRNA或植物pre-miRNA，而且单链成熟MIR168a很可能是动物通过胃肠道吸收的形式。通过用等量的单链成熟植物MIR168a转染HepG2细胞后，HepG2细胞中成熟MIR168a水平提高了约10000倍，并观察到伴随LDLRAP1的减少。证明单链成熟植物MIR168a可以在体外结合并降低LDLRAP1的表达。
包裹植物成熟MIR168a的微泡可以降低哺乳动物细胞中的LDLRAP1蛋白水平
小肠的上皮细胞吸收植物miRNA，然后将其包裹到微泡，并将其释放到循环系统中，进而外源植物miRNA传递给其他器官的靶细胞，并调节受体细胞的功能。
图7
大米喂养诱导小鼠肝脏LDLRAP1蛋白质减少的现象，在抗MIR168a ASO喂食6小后得到逆转
为了确定MIR168a对LDLRAP1的抑制作用的特异性，排除其他干扰，在大米喂食期间将抗MIR168a反义寡核苷酸（ASO）静脉内注射到小鼠体内。 抗MIR168a ASO的注射不仅显著降低了新鲜稻米喂养小鼠肝脏中的MIR168a水平（图8A），而且显著逆转了由新鲜稻米衍生的MIR168a引起的小鼠肝脏LDLRAP1的降低（图8B和8C）。这些结果表明，外源植物miRNA能够通过食物摄取进入哺乳动物的血清和器官，并且植物MIR168a可以结合位于哺乳动物LDLRAP1的外显子4中的核苷酸序列，抑制体内LDLRAP1的表达。
图8
外源MIR168a抑制小鼠肝脏LDLRAP1表达，并在食物摄取后3天升高血浆LDL-胆固醇水平
LDL是人血浆中主要的携带胆固醇的脂蛋白，在动脉粥样硬化的发病机制中起着至关重要的作用。LDLRAP1的下调会降低肝细胞内LDL的含量，并损害血浆中LDL的去除。
新鲜大米喂食后，小鼠体内的植物MIR168a含量明显上升（图9N），LDLRAP1表达了随之显著下降（图9P），3天后，血浆中LDL-胆固醇水平显著上升（图9Q）。
图9
整篇文章数据详实，思路清晰严谨，但研究结果受到了部分质疑，BioWorld特邀请南京大学生命科学院张博士针对主要几个疑问进行了解答。
1、miRNA并不很稳定，如何通过胃部恶劣的环境并被吸收后运输到靶细胞和组织？
miRNA在胃中可以相对稳定存在，在文章中也有对应的描述（体外模拟胃中的酸性环境），张教授课题组正在研究miRNA被吸收和转运的途径，目前已取得良好进展。
2、如何区分植物来源的miRNAs和动物自身的miRNAs？
首先是序列，目前已知动植物没有重合的miRNA序列，同时排除哺乳动物基因组的影响，其次是植物相比于动物来说miRNA是甲基化的，可以通过是否甲基化来确认miRNA来源。
3、被吸收的miRNA量是否足够在动物体内行使调节作用？
公认的miRNA在细胞中的reads数大于100才相对在细胞中形式功能，经过换算验证，miR168a的含量已经超过这一数值。
4、是否有权威性研究证实植物miRNA对包括人在内的哺乳动物的调控作用？
相关的研究支持越来越多，最直接的一个支持是来自美国City of Hope国家医疗中心的Emily Wang于2016年发表在Cell Research的文章Cross-kingdom inhibition of breast cancer growth by plant miR159，证实植物miR159抑制乳腺癌的发展。
张教授的微信名是：冷猪肉 张辰宇，著名历史学家范文澜曾说过：坐得冷板凳，吃得冷猪肉。在古代，道德高、学问深、成就大的人死后牌位可以放在文庙里，与孔圣人一起分享人们供奉的冷猪肉。只有年复一年日复一日地刻苦钻研，耐得住寂寞，坐得“冷板凳”，才能取得成功，享受到祭孔的“冷猪肉”。
参考文献
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.