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，讓我們對生命和非生命形式的物質進行探索的視野逐漸擴大，新冠疫苗的研發在病毒變異的追趕下面臨著極大的挑戰，而舊藥使用和新藥研發也并不輕松，中草藥（其中包含有效的miRNA成分）的重要性在此次疫情爆發的過程中逐漸被廣泛接受，中西藥結合使用來應對突發病毒的感染或許是一種更好的方式。此時胞外RNA（extracellular RNA, exRNA）應對疾病的研究被重新提上了日程。在此，我們從胞外miRNA跨界轉移的角度著手講述一下exRNA是如何實現跨物種“裸奔”的。

 

01 胞外miRNA是實現細胞間交流的新方式

我們知道，RNA很長一段時間被認為僅存在于細胞內，后來發現，其實RNA在胞外囊泡（extracellular vesicles, EV）的保護下遍布于全身，因此exRNA的出現并非偶然。南京大學生科院院長張辰宇教授團隊一直致力于該方向的探究，其對胞外miRNA如何從細胞中釋放、又是如何被檢測、怎樣在疾病治療中發揮功能等一系列研究結果證明了miRNA在機體中的存在具有重要的臨床價值。

 

細胞間交流方式以及miRNA介導的基因調控網絡

（Xi Chen et al. 2011）

 

miRNA是一類由19至24個核苷酸組成的內源性非編碼RNA，調節真核生物中蛋白質編碼基因的轉錄后沉默，而機體無細胞循環中的miRNA在不同疾病中的存在有著很大的差異。目前認為胞外miRNA來源于以下三種途徑：

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

②通過微囊泡的主動分泌，包括外泌體和脫落的囊泡，在正常和病理條件下幾乎所有的細胞都會釋放膜包裹的細胞碎片；

③與RNA結合蛋白結合，從供體細胞釋放。

 

細胞與鄰近細胞之間的交流和感知局部微環境的能力構成了多細胞生物機體協調細胞活動的基礎，細胞連接、黏附和可溶性信使的作用構成了細胞間交流的幾種主要方式。隨后的研究表明，胞間miRNA的水平轉移也是實現細胞間交流的重要方式，但對于轉移機制的研究目前還不是特別清楚。

 

被動分泌的miRNA和主動分泌miRNA

（Xi Chen et al. 2011）

 

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

 

02 胞外miRNA進入外泌體的方式

對miRNA進行包裝并非是隨機發生的，而是特定類型的miRNA可能會被優先分配到微泡中。有研究發現，血液細胞和單核淋巴瘤細胞THP1能夠主動地、選擇性地將miRNA包裝到微泡中，響應各種不同的刺激將其分泌到機體循環中。神經酰胺依賴性分泌機制可以誘導核內體轉移至胞外多囊泡體（MVBs）中，同時有研究發現這種方式可以積極調節HEK293細胞中外泌體miRNA的釋放，也就是說，控制神經酰胺生物合成的中性鞘磷脂酶2（nSMase2）可以調節外泌體miRNA的分泌，由nSMase2介導的miRNA分泌的增加可能與細胞釋放的外泌體數量增加或包裝到外泌體中的miRNA數量增加有關。miRNA進入外泌體的裝載也可能由RNA誘導的沉默復合物（RISC）的特定蛋白質控制。通過與AGO2結合，miRNA功能所需的GW182在外泌體中大量富集。與此研究結果類似的是，在THP-1細胞的外泌體中觀察到了AGO2蛋白的大量存在。這些發現表明，外泌體不僅轉移miRNA，而且還傳遞RISC的細胞成分以增強miRNA的功能。有人提出了分泌miRNA的生物發生，分類和釋放的多種機制，發現將特定的miRNA大量的包裝到微泡中似乎是一個選擇性過程。由于已在外泌體中檢測到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結合蛋白的關鍵因素。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節的特異性還需要進一步探究。

 

03 受體細胞攝取miRNA

多項研究表明，包裝于微泡中的分泌型miRNA可以傳遞到受體細胞中充當功能性分子，通過與內源性miRNA相似的機制調控基因的功能。例如來源于THP-1細胞的含有大量miR-150的微泡可將miR-150遞送至人微血管內皮細胞（HMEC-1），從而抑制受體細胞中c-Myb（miR-150的已知靶基因）的表達，同時增強細胞遷移能力。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細胞中的表達。此外，向植入前列腺癌PC-3 M細胞的裸鼠瘤內注射富含miR-16的外泌體會導致分泌型的miR-16轉移到癌細胞中，并抑制含3'非翻譯區的螢光素酶報告分子BCL2（miR-16的直接靶標）的表達。

miRNA的分泌和釋放示意圖

（Xi Chen et al. 2011）

 

04 胞外miRNA介導物種間的協同進化

這里得從一項有趣的研究說起，2017年張辰宇團隊在PLOS Genetics上發表文獻證明miRNA可以實現在物種間的相互“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，我們就會成為什么”，研究基于人類每天的進食情況，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，而研究發現，MIR168a可以與低密度脂蛋白受體銜接蛋白1（LDLRAP1）miRNA結合，抑制LDLRAP1在小鼠肝臟中的表達，從而調節低密度脂蛋白從血漿中的清除。這項實驗為miRNA 跨物種轉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”和“信息”。miRNA跨物種調控作用，很可能是一種保守的普遍現象，且可以通過攝入植物性miRNA來預防和控制腫瘤、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育方式

(Chao Yan et al. 2020)

 

從進化的角度來看，跨物種miRNA轉移能夠實現物種之間的交流和信號傳播。蟲媒植物是經過昆蟲授粉的，并且含有miRNA，它們會影響花朵的大小、形態、顏色和發育，并產生對包括蜜蜂在內的昆蟲有吸引力的花粉。用花粉喂食的蜜蜂幼蟲發育成工蜂，因為它們比僅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育成蜂王。這項有趣研究提出了蜜蜂成蟲發育形成的機制，以及胞外miRNA成為跨界調控系統的一種可能。這是否是從另一物種“借”RNA來調節自身生存和適應過程的一種普遍現象呢？由于物種經歷了數百萬年的共同進化以形成我們今天生活的生態系統，因此跨界miRNA轉移在自然界中或許是普遍存在的。

 

單核細胞分泌miR-150可以增強內皮細胞的遷移，調節受體細胞中基因的表達；與癌癥關聯的血清miRNA圖譜，顯著提高了癌癥早期診斷的準確性；一系列的研究結果表明，胞外miRNA對疾病的診斷和調控具有重要的臨床意義。回到中草藥對病毒性疾病的治療研究中，2015年張辰宇研究團隊發現，金銀花編碼的MIR2911可以直接靶向甲型流感病毒，同時，利用生物信息學預測和熒光素酶報告系統分析表明，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。該研究表明，MIR2911是中藥中第一個直接靶向各種IAV的活性成分，可能代表了一種新型的天然產物，有效抑制病毒感染。

 

新冠疫情對公眾健康造成了巨大威脅。病毒的快速突變，意味著開發有效的疫苗可能會面臨時間上的巨大挑戰，而開發廣譜抗病毒藥物或許是應對疾病爆發更好的一種方式。富含MIR2911和MIR2911的金銀花湯可能會成為抑制病毒感染的治療策略。除了針對各種亞型的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引起水痘，在重新激活時引起帶狀皰疹）和腸病毒（兒童手足口病的主要病原體）的復制。以上研究表明，不同來源的miRNA可實現跨物種之間的信息傳遞，并調控靶細胞中基因的功能，為人類慢性疾病的治療提供了新方向。同時，胞外或植物性miRNA還能夠通過與入侵病毒相應的互作模式來抑制病毒的復制，對病毒性感染疾病的治療提供了新的途徑。

 

 

參考文獻：

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

2. Kegan Zhu, Minghui Liu, Zheng Fu et al. Plant microRNAs in larval food regulate honeybee caste development. PLOS Genetics. 2017.

3. Zhen Zhou, Xihan Li, Jinxiong Liu et al. Honeysuckle-encoded atypical microRNA2911 directly targets influenza A viruses. Cell research. 2015.

4. Chao Yan, Xi Chen, Chen-Yu Zhang. Nanjing School: Extracellular microRNA mediates co-evolution between species. Nature. 2020.

5. Xi Chen, Yi Ba, Lijia Ma , Xing Cai et al. Characterization of microRNAs in serum: a novel class of biomarkers for diagnosis of cancer and other diseases. Cell research. 2008.

6. Yujing Zhang, Danqing Liu, Xi Chen et al. Secreted Monocytic miR-150 Enhances Targeted Endothelial Cell Migration. Molecular cell. 2010.

7. Yuan Yin, Xing Cai, Xi Chen et al. Tumor-secreted miR-214 induces regulatory T cells: a major link between immune evasion and tumor growth. Cell research. 2014.

8. Patrick S. Mitchell, Rachael K. Parkin, Evan M. Kroh et al. Circulating microRNAs as stable blood-based markers for cancer detection. PNAS. 2008.

 

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