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微小RNA调控人体内靶基因表达的方式影响人的生理功能

2011-10-10
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微小RNA调控人体内靶基因表达的方式影响人的生理功能

植物所含有的微小RNA能够通过消化道进入人体血液和器官组织,然后通过调控人体内靶基因表达的方式,影响人的生理功能。同样研究微小RNA的美国俄亥俄州立大学的克莱·马什(Clay Marsh)教授认为张辰宇等人的这项工作“非常令人激动”,它表明我们日常的饮食能够直接影响体内的基因表达。

植物的微小 RNA可以通过日常进食进入人体。对于生物学来说,更大的意义可能在于,这些研究为我们理解跨“界”的相互作用提供了新的线索。“动物、植物之间如何的借着微小RNA互相调控的?大家说不定共进化(co-evolution)了。”张辰宇说。微小RNA可以调控肿瘤的形成,

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2007年的一天,正在南京大学读博的陈熹被导师布置了一个实验,去检测人的血清中是否含有微小核糖核酸(microRNA)。陈熹当时就认为导师 疯了,因为这完全违背了他所学到的生物学常识:人的血清中含有许多RNA的降解酶,因而不可能有完整的RNA存在,至多只是一些碎片。他在师弟师妹面前把 自己的导师“批判”了一番,然后就把这个任务扔在了一边。

研究人员估计,在哺乳动物的基因中,约有30%左右的编码蛋白质的基因受到微小RNA的调控。

直到两个星期后的一个早晨,陈熹的导师张辰宇堵到了他,再次要求他去做这个实验。陈熹回避不开,只好去做。结果这个实验一做,陈熹变得比他的导师都更疯狂了,曾经连续三天三夜泡在实验室里。他得到了一些令人难以置信的结果。

他们最新的一项研究发表在近期的《细胞研究》上,这项研究发现,植物所含有的微小RNA能够通过消化道进入人体血液和器官组织,然后通过调控人体内 靶基因表达的方式,影响人的生理功能。他们已经发现了至少一种情况,微小RNA能够通过这种方式影响人体健康:进食过多的大米会增加患代谢紊乱综合征的可 能。这倒令人想起孙悟空变成一只小虫子钻进铁扇公主肚子的故事,尽管最后的结果与肚子疼无关。

这样的一个发现引起了许多生物学研究者的极大兴趣。同样研究微小RNA的美国俄亥俄州立大学的克莱·马什(Clay Marsh)教授认为张辰宇等人的这项工作“非常令人激动”,它表明我们日常的饮食能够直接影响体内的基因表达。

用南京大学张辰宇教授的话来说,这项发现为中国诸如“吃什么补什么”、“一方水土养一方人”这些俗话提供了科学上的注脚。

微小RNA与人体疾病

科学家发现微小RNA并不是很久之前的事情。1993年,哈佛大学的罗莎琳德·李(Rosalind Lee)等人在《细胞》杂志上发表论文,称在线虫中发现了控制幼虫发育的“lin-4基因”所编码产生的短小RNA,这种RNA可以与lin-14基因产 生的mRNA结合,并抑制它的功能,使它无法被翻译,最终控制LIN-14蛋白质的产生。这是人们首次发现微小RNA对于生物体基因表达的调节作用。

微小RNA是一种由19-24个核苷酸组成的非编码RNA,它不能被翻译并最终生成蛋白质,而是一种在进化上比较保守的“基因调控者”。

在过去的10年里,微小RNA的研究已经成为了一个热点。仅仅是在2000年到2003年的短短三年时间里,研究人员就陆续发现了微小RNA的以下 功能:控制细胞的增殖、凋亡;调节苍蝇的脂肪代谢;调节哺乳动物造血系统功能;控制植物叶与花的发育等。而据计算机模拟推测的结果,以上这些可能只是微小 RNA所具备的功能的冰山之一角。研究人员估计,在哺乳动物的基因中,约有30%左右的编码蛋白质的基因受到微小RNA的调控。

2002年,美国《科学》杂志把微小RNA的研究评为了当年的“年度重大突破”。到2005年,研究人员已经在人体中发现了两百多种微小RNA。并 且,人们也逐渐认识到,微小RNA可以调控肿瘤的形成,可以与慢性淋巴细胞性白血病有关,还可能与人类老年痴呆症和某些中枢神经功能紊乱有关。

小片段的大作用

张辰宇的研究就是从这里开始的。当时人们已经知道了微小RNA与肿瘤形成有关,张辰宇于是想到,是否有可能把微小RNA作为一种标记物来诊断肿瘤。 在肿瘤的早期诊断中,如果能在血清中发现微小RNA的话,那么它就有可能成为无创伤性的新的生物标记物。这就是为什么他会想到让陈熹去做那个“疯狂”的实 验。

在实验中,张辰宇疯狂的念头不但被证实了,而且微小RNA就像是指纹一样,在血清中的不同组合对应于不同的疾病。“这种组合可以早期诊断各种疾病。”张辰宇说,“现在很多疾病分亚型,判断疾病的复发,判断死亡率,还有个体化治疗,微小RNA都可以提供帮助。”

2008年9月初,张辰宇等人在《细胞研究》上发表了他们的研究结果。几乎在同一时间,一个以色列的研究组和一个美国的研究组也分别独立发表了相同结论的文章。三者相互印证。

不过,新的发现也带来了一个新的疑问:血清中的这些微小RNA是从哪里来的?它们是从破碎的细胞里出来的呢,还是完整的细胞能够分泌出微小RNA? 张辰宇从他的研究领域——内分泌代谢——出发,认为是从细胞中分泌的。但究竟是以何种方式分泌出来,比如是直接分泌还是通过某种载体,他仍不得头绪。

一次偶然的机会,张辰宇在上海参加一次学术会议的过程中,听到了一个新的概念——微小囊泡。他感到茅塞顿开,夜里11点半打电话给他的合作者、南京 大学的曾科教授:“是不是微小囊泡就是那个载体?”曾科听到这话也激动起来,微小囊泡正属于他的研究领域,他当下就认为他们可以立即做实验验证。

第二天,张辰宇还没有回到南京,陈熹就已经接到电话开始离心提取微小囊泡了。张辰宇回到实验室的时候,曾科和陈熹都在那里等着他,他们告诉张辰宇,微小囊泡提取出来了,做了分析,含有很多的微小RNA。

一个一个的点开始连接成线。所有的细胞,首先能够选择性地把特定的微小RNA包裹到微小囊泡中去,当细胞受到刺激的时候,细胞就会把这些包含微小RNA的微小囊泡分泌到循环系统中,或者是细胞外。

然后,这些微小囊泡能够把微小RNA再运送到靶细胞内,释放出微小RNA,作用于靶细胞内的微小RNA的靶基因,从而调控靶细胞的生理学或生物学功能及状态。

“我们发现了细胞能够分泌微小RNA,把已知的细胞间的信号传导机制从‘固定电话’变成了‘手机’。”张辰宇形容说,“原来是特定的细胞能够分泌一些激素或者细胞因子,特定细胞有受体再接受,现在变成是所有的细胞都有这个能力分泌,只要受到刺激。”

“相信我,今后的五年十年,这个会变得特别地热,在血清中发现微小RNA会变成教科书上每一个疾病的诊断信息之一。”张辰宇说,“比如说Ⅱ型糖尿病的某一个亚型,它的微小RNA是怎么样的……”

吃下的不仅仅是米

但故事还没有结束,更令人惊讶的事情在后面。

他们在分析微小RNA的时候做了一项叫做“深度测序”的工作。比如说,他们将50毫升的人的血清中的RNA提取出来,然后把30个核苷酸以下的RNA片段全部测序。一般来说,这能够得到数百万个片段,然后他们分析哪些是已知的微小RNA,哪些是破碎的RNA片段。

他们发现,这些RNA片段中有一些是植物的微小RNA,而且是100%来自植物——如果它包含22个核苷酸,那么22个核苷酸就全都和植物一样。并且,同样的微小RNA会有数以千计的拷贝。

这对研究人员来说显得非常奇怪,或者也可以说疯狂:假设人们进食植物之后,有些RNA由于某种原因没有被消化掉,进到了人的血液中去,那也更可能是 碎片,而且碎片不可能在所有人的样本里头都具有相当高的浓度,有那么多的拷贝数。另外,他们发现的微小RNA和人的全部的基因组相比对,没有100%相同 的。这就完全排除了微小RNA是内源性的人的某个RNA片断。

这些微小RNA一定来自于植物,而且唯一的途径是通过食物。这是张辰宇很快就意识到的一点,但实验并没有立即往下做。当时正值三聚氰胺事件闹得沸沸 扬扬,满脑子都是微小RNA的张辰宇想到,似乎可以通过检测牛奶中的微小RNA的浓度来鉴定牛奶的质量。因为几乎不可能人为地往牛奶中加入微小RNA,因 而一旦检测出微小RNA的浓度偏小,就表明牛奶质量有问题。曾科去做了实验以后发现,牛奶中微小RNA的浓度比血清中的还要高。

此时,张辰宇另外两名学生在小鼠身上做的实验让事情的方向明朗起来。他们做了一系列的实验来探究血清中的微小RNA是否确实来自食物。他们先后喂给 小鼠线虫和果蝇,这是两种富含微小RNA的动物,但都没有在小鼠的血液中检测到相应的微小RNA。接下来,他们给小鼠喂了大米。

他们喂给小鼠的,就是中国华东地区的人们最常吃的大米。结果,他们在小鼠的血清中检测到了来自大米的微小RNA。这让他们更加确信,植物的微小 RNA可以通过日常进食进入人体。事实上,编号为168a的植物微小RNA既在稻米中富含,也是中国人血清中含量最为丰富的植物微小RNA。

这表明,我们吃饭不仅仅是摄入的碳水化合物和蛋白质等“食物”,也摄入了“信息”,即微小RNA的序列特征。

由此带来的后果之一就是,编号为168a的植物微小RNA可以结合人体内某种连接蛋白的mRNA,抑制其在肝脏的表达,进而减缓低密度脂蛋白从血浆中的清除,最终引起代谢性疾病。

在实验中,研究人员给小鼠喂的是生米,而人类日常进食吃的是熟米,食物经过加热之后是否会破坏其微小RNA呢?张辰宇指出,煮过的米饭中仍然含有很多微小RNA,经过油炸才能破坏掉大部分的微小RNA。

他们还发现,中药在经过煎煮之后,药汤里的微小RNA的浓度很高。给小鼠喂药之后24小时,就发现小鼠肺部相应的微小RNA浓度增高。他们认为,这些发现为在传统的中草药中发现一类全新的活性分子提供了依据。

对于生物学来说,更大的意义可能在于,这些研究为我们理解跨“界”的相互作用提供了新的线索。“动物、植物之间如何的借着微小RNA互相调控的?大家说不定共进化(co-evolution)了。”张辰宇说。

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本栏目主要介绍基因工程方面,包括人类基因组计划、转基因、基因技术、微小RNA调控人体内靶基因表达的方式影响人的生理功能等。特别关注有关人与文化方面的研究。

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