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专访张辰宇:“食物miRNAs跨胎盘操控胎儿基因表达”的前世今生
送交者: DouzeSept[♂巡抚★★♂] 于 2017-03-20 18:54 已读 71 次  


上个月一篇题为《南京大学惊人发现:食物miRNAs跨胎盘操控胎儿基因表达》的报道引来了部分读者的质疑,因为这一研究成果涉及一个十分重要的问题——如果我们从饮食中摄取的miRNAs真的能传递到胎儿体内,并调控胎儿基因表达,那将再一次改写我们对小分子非编码RNA的认识!这不仅更加强调了孕妇饮食的重要性,而且也提出了一种在胎儿期就可以直接进行治疗的可能性。

实验里的RNA一直是需要RNA酶抑制剂护驾才不至于降解的脆弱家伙,而这些植物miRNA怎能如此坚强地熬过蒸煮,穿越没有RNA酶抑制剂的消化道进入血液循环,甚至穿越胎儿屏障进入胎儿体内,作为一个植物界的小钢铁侠还能调控动物界的基因表达?怀揣着这许多的疑问,记者联系了南京大学生命科学学院张辰宇教授。虽然几年间我们也曾多次请教他关于miRNA研究的问题,但,要知道这个结果一旦被断章取义引用,就有可能被卷入“转基因”“反中医”等已经非理性的争议中,鉴于国内许多学者在面对争议的不表态,不赞同,不反对的“三不”态度,因此当张教授坦诚并爽快的接受了我们的请教时,我们已经感受到了张教授对他们研究组成果的自信。

正如他所说,“如果我们的发现是原创性的,重要的且也是颠覆性的,自然在开始是会引发很多争议,很正常。只要我们的结果是solid的,以后大家就会接受,并发扬光大……我们M3实验室的自勉就是:做‘配享冷猪肉’的研究,让世界和我们接轨!”

注:著名历史学家范文澜有句名言:“坐得冷板凳,吃得冷猪肉。”旧时,如果哪一个文人道德高、学问精、成就大,死后牌位便可入文,置于两庑之下,有资格分享供奉孔圣人的冷猪肉吃。这就是所谓“二冷”精神。“二冷”是相辅相成的,只有长年累月地苦学苦研,甘于寂寞,坐得住“冷板凳”,才能在道德文章上出类拔萃,成果显赫,最后吃得上祭孔的“冷猪肉”。“做‘配享冷猪肉的研究’首先一个前提是有用、而且在历史上能够流传下去、有重大影响的研究。其次就是不怕做冷板凳,不能浮躁、急于求成。”

想常人之不敢想,做常人之不敢做

2012年,也就是张辰宇教授回国的第九个年头,他们研究组发现了miRNA这种小分子的一个大秘密:植物微小核糖核酸(microRNA)可以通过日常食物摄取的方式进入人体血液和组织器官。并且一旦进入体内,它们将通过调控人体内靶基因表达的方式影响人体的生理功能,进而发挥生物学作用。

用简单的话来说就是,食物中包含的miRNA会对我们人体产生影响。这一发现一时间激起千层浪,首先是著名科普杂志Discover发表了题为“您吃什么会影响您的基因发挥作用”的介绍文章,之后Nature杂志也做了特别推荐。

然而当时大家没有注意到的是,在研究中,张教授研究组还发现在胎牛血清中也有几十种植物的microRNA存在,“实际上在开始时,我是不愿意放胎牛血清结果到2012年的文章里的,这完全是提醒别人去研究,但现在看起来,大家完全忽略了这个结果的意义,”张教授半开玩笑半认真地说。

对于这样很容易让人“失之交臂”的重要发现,一个世纪前的弗莱明没有错过,他由此发现了青霉素,同样张教授研究组也没有放过,他们在此基础上,想了常人之不敢想,也做常人之不敢做——他们通过多项实验证明了,外源性植物miRNAs以及人工合成的siRNAs可通过胎盘转移,直接调控胎儿的基因表达。

这项最新的研究分成了三个步骤,首先张教授等人在人类的脐带血、羊水和动物胎儿中检测到了一定水平的外源植物miRNAs,其次他们发现当喂给孕鼠金银花水煎液(外源植物microRNAs浓度为食物中的生理浓度)时,在胎肝中检测到了显著水平的植物MIR2911。最后他们也喂给孕鼠人工合成的甲胎蛋白(Alpha-fetoprotein,AFP) siRNA,证实可显著降低AFP mRNA和蛋白质水平。

张教授解释道,“在我们2012年那篇Cell Research证实食物中的microRNA可被动物胃肠道吸收,并跨界调控动物基因的论文中,我们已经发表了一个结果:在胎牛血清中有几十种植物的microRNA存在。在排除了一系列false positive的可能性后,胎牛血清中的几十种植物microRNA的来源只能是怀孕母体食物中由来的。那时就有了假说:母体的extracellular RNA(包括母体自身产生内源性的和外源性的(食物中的和微生物产生的))可通过胎盘,通过调节胎儿的基因,影响胎儿的宫内及出生后的生长发育及疾病的发生发展。由于母亲自身产生内源性microRNA与胎儿自身的不能区分,于是就像12年的发表论文一样,先从外源性食物中的植物microRNA入手,来证明我们的假说。”

从研究意义上来说,这项最新研究有多个首发性重要意义:这是第一次证实了,小RNAs可以通过哺乳动物胎盘直接调控胎儿基因,由此可能也影响了胎儿的发育;这也揭示出了在妊娠过程中,母亲的小分子非编码RNAs参与胎儿表观遗传调控的可能性。也就是说,母亲的病理状态将可以导致自身异常的内源性miRNA谱,这将会影响胎儿的健康,因此从相反的角度来说,这也首次提出了一种在子宫内治疗胎儿疾病的全新潜在治疗策略。

大胆假设,小心求证

毫无疑问,这一发现不仅颠覆了此前关于核酸不能通过哺乳动物胎盘的传统观点,而且也将会令孕妇饮食与胎儿疾病研究领域打开一个全新的局面。

当然这些都取决于一个关键的问题,证据是否充分?对此张教授并不担心,他表示这项研究“我们先发现了现象,然后根据现象提出假说并设计实验证明之。”

记者:第一个问题就是食物中的miRNAs是如何穿过胃部的恶劣环境,被动物消化系统吸收,并被输送到靶细胞和靶组织的?

张教授:“食物中的miRNAs是如何被动物消化系统吸收是我们6年前一发现这个现象就开始的机理研究,也是国家自然科学基金委特别资助的“变革性重大课题”中最主要的内容之一。我们已经发现并证明的特异性的transporter,论文正在投稿中,不久大家就可以看到了。”

记者:那么如何区分植物性miRNA和鼠内源性miRNA的呢?

张教授:“在2012年的论文里我们已经讨论过,植物的microRNA没有100%与动物基因组(还不仅仅只是与动物的microRNA不一样的序列)一样的核酸序列,如果深度测序时发现的序列与已经报道的植物的某种microRNA的序列100%一样,那就是植物来源的,如MIR168,MIR156,MIR2911等等。”

记者:这些miRNA的半衰期有多长呢?

张教授:“这些食物中的miRNAs被吸收后,在细胞内再被包裹进微小囊泡后,被分泌至循环中,因此和内源性分泌型miRNA同样。”

记者:您是否考虑过通过示踪标记证明它们呢?

张教授:“在我们今年年初发表的金银花(honeysuckle)中的植物MIR2911可以直接靶向多种流感病毒mRNA,从而抑制病毒复制的论文里,有口服荧光标记的MIR2911的示踪结果。”

注:这是十分有力的可靠证据,通过标记完整充分地证明了小分子RNAs穿过消化道,进入人体血液的过程。

记者:这些小分子RNAs对胎儿的影响,与对母体的影响相同吗?两者之间存在何种关联?

张教授:“有些应该是相同的,这是一个非常好的问题,但我们还没有确切的答案。”

记者:这项研究在人脐带血、羊水和动物胎儿中检测到了外源植物miRNAs,具体数目是多少呢?之后您的研究组又进行了哪些实验呢?

张教授:“我只能说数目很多,无论是深度测序,Northern Blot还是qRT-PCR,都是不同的同学,用不同的样本,在不同的时间独立做的,都是阳性。在这篇论文里,我们还做了当喂给孕鼠金银花水煎液(外源植物microRNAs浓度为食物中的生理浓度)时,在胎肝中检测到了显著水平的植物MIR2911。最后,他们喂给孕鼠人工合成的甲胎蛋白(Alpha-fetoprotein,AFP) siRNA,证实可显著降低AFP mRNA和蛋白质水平。他们还进一步证实,MV驱动的小RNAs可以通过胎盘。至于现在我们们正在进行的相关研究就太多了,无法一一列举了。”

最后张教授总结道,“如果我们的发现是原创性的,重要的且也是颠覆性的,自然在开始是会引发很多争议,很正常。只要我们的结果是solid的,以后大家就会接受,并发扬光大。”

做“配享冷猪肉”的研究,让世界和我们接轨

自2003年回国组建实验室以来,张教授研究组在许多研究方向上都取得了重要成果,也发表了不少科研论文,对于发表论文这个敏感话题,张教授表示,“我们现在是真正地认为研究结果的价值在于研究结果本身,而不是发在了什么杂志上。当然,能够发在CNS上,就能更快地被大家接受,我们也是愿意和希望的,但如果不能在CNS上发,只要研究者们能够看到,有了其该有的影响,对我们来说就满足了。毕竟我们不是为了发表论文而做研究的。此外,我们的结果国外的很多实验室已经重复,并发表了论文(见附录)。只不过我们自己从来不在学术圈外做任何解释,而国内外反对者肯定不会主动宣传这些正面支持我们的结果的。”

张教授笑着说,“我们M3实验室的自勉是:做‘配享冷猪肉’的研究,让世界和我们接轨!有意愿和我们共同创造辉煌的青年才俊请直接联系我们。”

做一本最好玩的科研书

在整个采访过程中,张教授的幽默谈吐多次令我们忍俊不禁,他也表示正在写一本书,大约年底出来,按编辑的说法“这是一本最好玩的科研书”,在我们的多次“纠缠”下,张教授终于同意透露一点书的内容,让我们先睹为快:

缘起

2007年的某一个星期四,由于时间久远,具体日期已不可考。在日后名动南京生命科学界的M3组会上,张辰宇向博士一年级的研究生陈熹布置了一个新课题,要他在血清中测定microRNA。虽然M3实验室的师生们已经敬畏地适应了张辰宇天马行空般的胡思乱想,但第一次听说这个从理论上匪夷所思的新“假说”,参加组会所有人都只能是大眼瞪小眼,沉默以对。该要求就像一枚纸片投到了秋天的玄武湖里,湖面保持了和谐的镜面般平静,连是否产生了可见的波纹都不能肯定。但事后得知,在浑浊如磨砂玻璃的水面下,陈熹这条黑鱼在嗅了嗅纸片后,还是对实验室里的鱼儿们冒了几个泡。

张辰宇在microRNA方面的研究在国内是最早的。缘起于2002年还是2003年底的一次偶然的报告。MIT的有一个叫Tim Tooshall的德国博士后,在David Bartell的实验室工作。Bertell发现了miroRNA在植物细胞里的存在后,Tooshall和Philip Sharp的一个博士后坚决要验证它在动物细胞内也存在。他们俩在没有得到各自老板的批准时,就做了实验并证实了他们的想法。张辰宇说,Tooshall这个人的性格和张辰宇的有点一样,有点烧包,屁大点事,就憋不住地要跟别人分享,全然不顾别人是否相信,是否感兴趣。当然他们的研究是巨大的发现。这个文章当时是在Cell 还In Press,没出来,他自己就跑到哈佛医学院做了一个报告。在美东地区的生物医学界大概有一个潜规则,有了什么发现后,肯定要到哈佛医学院来登台求认可和知音,而longwood地区的哈佛医学院及几个附属医院里有各个领域大量的对新知识新发现有如嗜血般敏感的研究闲人,如某个诺奖获得者啦,某个院士啦,大量的如Tim一样的博士后啦,等等,给每一个新发现的报告提供了充足的听众和知音合作者。Tim是在医学院最大的讲堂里作的报告,大概能容纳三四百人,里面可以用百余年前我国第一代和国际接轨的上海人所形容的“people mountain, people sea”,阶梯上都坐满了,最后临时开了一个分会场,充分体现了哈佛医学院闲人们科研追星的热情。Tim报告了microRNA的作用方式以及在动物细胞里的表达和可能的作用,即抑制靶基因蛋白的翻译,但不影响mRNA。

张辰宇当时的研究是一种线粒体上的uncoupling protein 2 (UCP2)的功能。UCP2就是在心脏和骨骼肌中有mRNA,没有蛋白。听了报告后,他马上就意识到microRNA是解释这个问题的最好的机制。从01年起就在南大有实验室带学生的张辰宇就把这个工作交给了刚入学的陈熹。陈熹同学筚路蓝缕,口脑并用,就是不亲手做实验,从04年开始,独立地没在张辰宇具体指导下,带领某些师弟妹们建立了microRNA研究体系。他们预测并证实了一种骨骼肌特异性miR-133a可抑制UCP2蛋白的翻译。同时,也在和天津肿瘤医院的巴一教授合作,希望发现肿瘤组织中的microRNA谱,能否有可能作为病理诊断的标志物。在去天津拿标本的动车上,有n位前(?)女友,刚刚被恢复自由身的陈熹手段高超,目的明确地“勾引”了一位纯情小姑娘,成了他的太太。此是后话,暂且不表。

由于经典的概念是RNA在细胞外不稳定被RNA水解酶降解,而细胞外、血清/血浆和体液中充满了RNA水解酶,所以在细胞外和血清不应该存在完整的RNA,只能存在一些不规则的片段,因此和国际上其它实验室一样,M3实验室到此为止研究的是细胞内microRNA的表达谱和相关的功能,张辰宇也显示了其是受过良好科研训练,具有科学逻辑的研究者。但在2007年某个神秘的不可考的日子里,张辰宇大脑的某些沟回、突触发生了短路,坚定地认为血清/血浆中有完整的microRNA存在。其间的心路历程,由于现在张辰宇坚不吐口,只能暂且存疑。

而陈熹也竟然没有去做实验!他对实验室的师弟师妹们,特别是师妹们冒了几个诽谤的小泡:“老板就是疯了,这又不是人有多大胆地有多大产,他说有就有啊,我是南大本科直接上来的研究生,受过严格的科学的生命科学研究训练,我决不会浪费我的时间去证明他是错的!” 伴随着这铿锵有力的泡泡,师妹们对他的景仰之情,顿时如滔滔江水绵绵不绝,其娇小的1.70米的身躯在师妹们的眼中也伟岸起来,远远超过了同是1.70丰满的张辰宇。

本文转载自生物通,部分内容有改动。

附录:

1.The complex exogenous RNA spectra inhuman plasma: an interface with human gut biota? PLoS One. doi:10.1371/journal.pone.0051009.

2. In silico identification of plant miRNAsin mammalian breast milk exosomes--a small step forward? PLoS One. doi:10.1371/journal.pone.0099963.

3. Assessing the survival of exogenousplant microRNA in mice. Food Sci Nutr. doi: 10.1002/fsn3.113.

4. Interspecies communication between plantand mouse gut host cells through edible plant derived exosome-likenanoparticles. Mol Nutr Food Res. doi: 10.1002/mnfr.201300729.

5. Small RNAs from plants, bacteria andfungi within the order Hypocreales are ubiquitous in human plasma. doi:10.1186/1471-2164-15-933.

6.Detection of dietary plant-based smallRNAs in animals. Cell Res. doi: 10.1038/cr.2015.26.

7. A novel chemopreventive strategy basedon therapeutic microRNAs produced in plants. Cell Res. doi: 10.1038/cr.2015.25.

8. 李青芝. 植物miRNAs在猪母体和胎儿间传递的研究[D]. 四川农业大学 2013

9. 母治平. 猪体内食物源性植物miRNAs的鉴定[D]. 四川农业大学 2013

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