人類仍然被籠罩在新冠肺炎的陰影之下，沒有人能夠告訴我們將口罩脫下的明確日子，難以呼吸的困境，讓我們對(duì)生命和非生命形式的物質(zhì)進(jìn)行探索的視野逐漸擴(kuò)大，新冠疫苗的研發(fā)在病毒變異的追趕下面臨著極大的挑戰(zhàn)，而舊藥使用和新藥研發(fā)也并不輕松，中草藥（其中包含有效的miRNA成分）的重要性在此次疫情爆發(fā)的過程中逐漸被廣泛接受，中西藥結(jié)合使用來應(yīng)對(duì)突發(fā)病毒的感染或許是一種更好的方式。此時(shí)胞外RNA（extracellular RNA, exRNA）應(yīng)對(duì)疾病的研究被重新提上了日程。在此，我們從胞外miRNA跨界轉(zhuǎn)移的角度著手講述一下exRNA是如何實(shí)現(xiàn)跨物種“裸奔”的。

 

01 胞外miRNA是實(shí)現(xiàn)細(xì)胞間交流的新方式

我們知道，RNA很長一段時(shí)間被認(rèn)為僅存在于細(xì)胞內(nèi)，后來發(fā)現(xiàn)，其實(shí)RNA在胞外囊泡（extracellular vesicles, EV）的保護(hù)下遍布于全身，因此exRNA的出現(xiàn)并非偶然。南京大學(xué)生科院院長張辰宇教授團(tuán)隊(duì)一直致力于該方向的探究，其對(duì)胞外miRNA如何從細(xì)胞中釋放、又是如何被檢測(cè)、怎樣在疾病治療中發(fā)揮功能等一系列研究結(jié)果證明了miRNA在機(jī)體中的存在具有重要的臨床價(jià)值。

 

細(xì)胞間交流方式以及miRNA介導(dǎo)的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

（Xi Chen et al. 2011）

 

miRNA是一類由19至24個(gè)核苷酸組成的內(nèi)源性非編碼RNA，調(diào)節(jié)真核生物中蛋白質(zhì)編碼基因的轉(zhuǎn)錄后沉默，而機(jī)體無細(xì)胞循環(huán)中的miRNA在不同疾病中的存在有著很大的差異。目前認(rèn)為胞外miRNA來源于以下三種途徑：

①由組織損傷、慢性炎癥、細(xì)胞凋亡/壞死或細(xì)胞半衰期短而從破碎的細(xì)胞中被動(dòng)分泌，如血小板；

②通過微囊泡的主動(dòng)分泌，包括外泌體和脫落的囊泡，在正常和病理?xiàng)l件下幾乎所有的細(xì)胞都會(huì)釋放膜包裹的細(xì)胞碎片；

③與RNA結(jié)合蛋白結(jié)合，從供體細(xì)胞釋放。

 

細(xì)胞與鄰近細(xì)胞之間的交流和感知局部微環(huán)境的能力構(gòu)成了多細(xì)胞生物機(jī)體協(xié)調(diào)細(xì)胞活動(dòng)的基礎(chǔ)，細(xì)胞連接、黏附和可溶性信使的作用構(gòu)成了細(xì)胞間交流的幾種主要方式。隨后的研究表明，胞間miRNA的水平轉(zhuǎn)移也是實(shí)現(xiàn)細(xì)胞間交流的重要方式，但對(duì)于轉(zhuǎn)移機(jī)制的研究目前還不是特別清楚。

 

被動(dòng)分泌的miRNA和主動(dòng)分泌miRNA

（Xi Chen et al. 2011）

 

盡管核糖核酸酶（RNase）無處不在，循環(huán)中的miRNA依然能夠穩(wěn)定的存在，其原因是什么呢？張辰宇團(tuán)隊(duì)提出了兩種機(jī)制來解釋：（i）通過囊泡膜來保護(hù)分泌的miRNA不被降解；（ii）通過與RNA結(jié)合蛋白（例如AGO2和NPM1）結(jié)合而穩(wěn)定存在。

 

02 胞外miRNA進(jìn)入外泌體的方式

對(duì)miRNA進(jìn)行包裝并非是隨機(jī)發(fā)生的，而是特定類型的miRNA可能會(huì)被優(yōu)先分配到微泡中。有研究發(fā)現(xiàn)，血液細(xì)胞和單核淋巴瘤細(xì)胞THP1能夠主動(dòng)地、選擇性地將miRNA包裝到微泡中，響應(yīng)各種不同的刺激將其分泌到機(jī)體循環(huán)中。神經(jīng)酰胺依賴性分泌機(jī)制可以誘導(dǎo)核內(nèi)體轉(zhuǎn)移至胞外多囊泡體（MVBs）中，同時(shí)有研究發(fā)現(xiàn)這種方式可以積極調(diào)節(jié)HEK293細(xì)胞中外泌體miRNA的釋放，也就是說，控制神經(jīng)酰胺生物合成的中性鞘磷脂酶2（nSMase2）可以調(diào)節(jié)外泌體miRNA的分泌，由nSMase2介導(dǎo)的miRNA分泌的增加可能與細(xì)胞釋放的外泌體數(shù)量增加或包裝到外泌體中的miRNA數(shù)量增加有關(guān)。miRNA進(jìn)入外泌體的裝載也可能由RNA誘導(dǎo)的沉默復(fù)合物（RISC）的特定蛋白質(zhì)控制。通過與AGO2結(jié)合，miRNA功能所需的GW182在外泌體中大量富集。與此研究結(jié)果類似的是，在THP-1細(xì)胞的外泌體中觀察到了AGO2蛋白的大量存在。這些發(fā)現(xiàn)表明，外泌體不僅轉(zhuǎn)移miRNA，而且還傳遞RISC的細(xì)胞成分以增強(qiáng)miRNA的功能。有人提出了分泌miRNA的生物發(fā)生，分類和釋放的多種機(jī)制，發(fā)現(xiàn)將特定的miRNA大量的包裝到微泡中似乎是一個(gè)選擇性過程。由于已在外泌體中檢測(cè)到RISC的成分（如AGO2和GW182），因此RISC可能參與了將miRNA包裝到外泌體中的過程。值得注意的是，神經(jīng)酰胺依賴性途徑控制miRNA滲入外泌體，但抑制miRNA包裝入HDL顆粒。因此，nSMase2可能是決定miRNA滲入到外泌體或RNA結(jié)合蛋白的關(guān)鍵因素。揭示miRNA如何包裝到外泌體、脫落的囊泡和HDL顆粒，以及在此過程中是否存在調(diào)節(jié)的特異性還需要進(jìn)一步探究。

 

03 受體細(xì)胞攝取miRNA

多項(xiàng)研究表明，包裝于微泡中的分泌型miRNA可以傳遞到受體細(xì)胞中充當(dāng)功能性分子，通過與內(nèi)源性miRNA相似的機(jī)制調(diào)控基因的功能。例如來源于THP-1細(xì)胞的含有大量miR-150的微泡可將miR-150遞送至人微血管內(nèi)皮細(xì)胞（HMEC-1），從而抑制受體細(xì)胞中c-Myb（miR-150的已知靶基因）的表達(dá)，同時(shí)增強(qiáng)細(xì)胞遷移能力。還比如分泌型的miR-146a可抑制其已知靶基因ROCK1在其受體前列腺癌PC-3 M細(xì)胞中的表達(dá)。此外，向植入前列腺癌PC-3 M細(xì)胞的裸鼠瘤內(nèi)注射富含miR-16的外泌體會(huì)導(dǎo)致分泌型的miR-16轉(zhuǎn)移到癌細(xì)胞中，并抑制含3'非翻譯區(qū)的螢光素酶報(bào)告分子BCL2（miR-16的直接靶標(biāo)）的表達(dá)。

miRNA的分泌和釋放示意圖

（Xi Chen et al. 2011）

 

04 胞外miRNA介導(dǎo)物種間的協(xié)同進(jìn)化

這里得從一項(xiàng)有趣的研究說起，2017年張辰宇團(tuán)隊(duì)在PLOS Genetics上發(fā)表文獻(xiàn)證明miRNA可以實(shí)現(xiàn)在物種間的相互“交流”，該研究提出一種有趣的說法，即“We are what we eat——我們吃的是什么，我們就會(huì)成為什么”，研究基于人類每天的進(jìn)食情況，獲得了來自水稻（Oryza sativa）和十字花科（Brassicaceae Burnett）中兩種最高濃度的植物miRNA，即MIR156a和MIR168a，而研究發(fā)現(xiàn)，MIR168a可以與低密度脂蛋白受體銜接蛋白1（LDLRAP1）miRNA結(jié)合，抑制LDLRAP1在小鼠肝臟中的表達(dá)，從而調(diào)節(jié)低密度脂蛋白從血漿中的清除。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)為miRNA 跨物種轉(zhuǎn)移提供了可能的模型。我們不僅是在吃食物，從一定程度上來講，我們吃的是“信號(hào)”和“信息”。miRNA跨物種調(diào)控作用，很可能是一種保守的普遍現(xiàn)象，且可以通過攝入植物性miRNA來預(yù)防和控制腫瘤、慢性炎癥、肺纖維化和心血管等疾病。

 

飲食影響蜜蜂幼蟲的發(fā)育方式

(Chao Yan et al. 2020)

 

從進(jìn)化的角度來看，跨物種miRNA轉(zhuǎn)移能夠?qū)崿F(xiàn)物種之間的交流和信號(hào)傳播。蟲媒植物是經(jīng)過昆蟲授粉的，并且含有miRNA，它們會(huì)影響花朵的大小、形態(tài)、顏色和發(fā)育，并產(chǎn)生對(duì)包括蜜蜂在內(nèi)的昆蟲有吸引力的花粉。用花粉喂食的蜜蜂幼蟲發(fā)育成工蜂，因?yàn)樗鼈儽葍H食用蜂王漿的幼蟲食用更多的植物miRNA，而食用蜂王漿的蜜蜂幼蟲則發(fā)育成蜂王。這項(xiàng)有趣研究提出了蜜蜂成蟲發(fā)育形成的機(jī)制，以及胞外miRNA成為跨界調(diào)控系統(tǒng)的一種可能。這是否是從另一物種“借”RNA來調(diào)節(jié)自身生存和適應(yīng)過程的一種普遍現(xiàn)象呢？由于物種經(jīng)歷了數(shù)百萬年的共同進(jìn)化以形成我們今天生活的生態(tài)系統(tǒng)，因此跨界miRNA轉(zhuǎn)移在自然界中或許是普遍存在的。

 

單核細(xì)胞分泌miR-150可以增強(qiáng)內(nèi)皮細(xì)胞的遷移，調(diào)節(jié)受體細(xì)胞中基因的表達(dá)；與癌癥關(guān)聯(lián)的血清miRNA圖譜，顯著提高了癌癥早期診斷的準(zhǔn)確性；一系列的研究結(jié)果表明，胞外miRNA對(duì)疾病的診斷和調(diào)控具有重要的臨床意義�；氐街胁菟帉�(duì)病毒性疾病的治療研究中，2015年張辰宇研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，金銀花編碼的MIR2911可以直接靶向甲型流感病毒，同時(shí)，利用生物信息學(xué)預(yù)測(cè)和熒光素酶報(bào)告系統(tǒng)分析表明，MIR2911可以靶向多種IAV，包括H1N1、H5N1和H7N9，合成的MIR2911顯著抑制了H1N1編碼的PB2和NS1蛋白的表達(dá)。該研究表明，MIR2911是中藥中第一個(gè)直接靶向各種IAV的活性成分，可能代表了一種新型的天然產(chǎn)物，有效抑制病毒感染。

 

新冠疫情對(duì)公眾健康造成了巨大威脅。病毒的快速突變，意味著開發(fā)有效的疫苗可能會(huì)面臨時(shí)間上的巨大挑戰(zhàn)，而開發(fā)廣譜抗病毒藥物或許是應(yīng)對(duì)疾病爆發(fā)更好的一種方式。富含MIR2911和MIR2911的金銀花湯可能會(huì)成為抑制病毒感染的治療策略。除了針對(duì)各種亞型的IAV，研究還表明，金銀花來源的MIR2911可以通過靶向病毒基因，直接抑制水痘帶狀皰疹病毒（病原體在初次感染時(shí)引起水痘，在重新激活時(shí)引起帶狀皰疹）和腸病毒（兒童手足口病的主要病原體）的復(fù)制。以上研究表明，不同來源的miRNA可實(shí)現(xiàn)跨物種之間的信息傳遞，并調(diào)控靶細(xì)胞中基因的功能，為人類慢性疾病的治療提供了新方向。同時(shí)，胞外或植物性miRNA還能夠通過與入侵病毒相應(yīng)的互作模式來抑制病毒的復(fù)制，對(duì)病毒性感染疾病的治療提供了新的途徑。

 

 

參考文獻(xiàn)：

1. Xi Chen, Hongwei Liang, Junfeng Zhang, Ke Zen and Chen-Yu Zhang. Secreted microRNAs：a new form of intercellular communication. Cell. 2011.

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