引用本文： 丁立賢, 劉明, 李忠生, 李國東. 植物調節人類健康及疾病的新機制：植物微小 RNA 跨物種調控. 中國普外基礎與臨床雜志, 2019, 26(1): 102-105. doi: 10.7507/1007-9424.201807071 復制
植物在調節人體健康及疾病中具有重要作用，其中植物化學物質已經得到廣泛研究。植物化學物質是植物中除蛋白質、脂類、碳水化合物（膳食纖維）、維生素和微量元素以外豐富的生物活性物質，其具有多種生物功能，通過調節免疫、抗腫瘤[1]、抗氧化、清除自由基等作用調節動物的病理生理功能。攝入有益的植物化學物質有助于改善機體心腦血管疾病、惡性腫瘤、2 型糖尿病及癡呆的預后[2]。另也有研究者[3]認為，植物化學物質的功能對人體極為重要，故植物化學物質也被視為一種新的營養成分。植物化學物質在維持人類的健康及調節疾病中起到了重要作用。有研究[4-5]發現，除現有已知的植物化學物質對人體的作用機制外，植物微小 RNA（microRNA，miRNA）的跨物種調控作為一個新機制在植物性食品調節人類健康及疾病中也起到了重要作用。筆者現對近年來關于植物 miRNA 跨物種調控人類健康及疾病新機制的文獻進行綜述，總結了該領域研究近況及植物 miRNA 調節動物基因表達的方式。
1 植物化學物質可通過多種途徑調節動物的病理生理功能
植物化學物質包含多種不同物質，如植物多酚類、皂苷類、多糖類等生物活性物質，其中植物多酚類物質具有重要的抗腫瘤作用[6]，皂苷類由于其抑制腫瘤增殖、抗氧化作用得到了人們認可[7]，多糖類由于具有抗氧化[8]、清除自由基團等抗腫瘤作用參與調控人體健康與疾病[9]。目前眾多實驗研究均證實植物化學物質具有多種調控機制，如結直腸可利用越橘成分在體外能顯著抑制人結直腸癌 Lovo 細胞系的增殖和侵襲，并協助抵抗 DNA 損傷[10]。多酚類植物可抑制表皮生長因子受體及血管內皮生長因子受體的信號轉導、抑制炎癥發生、調節表觀遺傳，可用于結直腸癌的化學預防[11]。此外，植物化學物質還可以通過免疫調節作用、抗微生物作用、降低膽固醇作用參與緩解人體不同疾病[12]。
2 miRNA 在調節動植物生理功能中的重要作用
植物性食品中不僅含有營養成分、植物化學物質等，還包含植物 miRNA。作為信號分子，miRNA 在各種生物調控中均起到了重要作用。miRNA 是一種長約 19～25 個核苷酸長度的非編碼小 RNA，其與對應的 mRNA 結合起到調控作用[13-14]。研究[15]表明，miRNA 可以調控 30% 以上的人類基因表達。還有研究[16]表明，異常 miRNA 表達使體內 mRNA 與 miRNA 間失衡，導致多種疾病甚至惡性腫瘤的發生。一種 miRNA 可以結合多種靶序列，體內、體外的實驗均顯示 miRNA 的小分子調節對多種疾病均具有治療潛力[17]。
3 植物 miRNA 的跨物種調控機制及研究現狀
3.1 植物 miRNA 通過胃腸道途徑完整進入動物體內的機制
一直以來，科學家們均認為植物 miRNA 無法避免動物消化道的降解，即植物 miRNA 無法穩定存在于動物體內，因此忽略了動物從飲食中獲取并利用植物 miRNA 的可能性。直至 2012 年 Zhang 等[4]團隊提出跨物種調控學說才改變了這一觀點。有研究者[18-19]采用多組實驗對照分析發現，植物 miRNA 存在于動物血漿及血清中，而微泡中更是容納了 50% 以上的植物 miRNA。微泡是細胞分泌的囊泡，具備雙層的脂質膜結構，是細胞間信號傳導的重要載體[20]。
動物從食物中攝入可吸收的營養成分和植物化學物質，同時攝入植物 miRNA 進入胃腸道，各種營養物質均被分解吸收，但植物 miRNA 卻未被分解。現階段研究[21-22]表明，植物在合成 miRNA 后，會在其 3′末端加以甲基化修飾，以此保護其 3′端活性，預防植物 miRNA 被降解，但動物 miRNA 在合成后極少有這種修飾過程。Zhang 等[4]團隊將動物 miRNA 和植物 miRNA 分別置于模擬胃內酸性環境（pH 為 2.0）的溶液中發現，動物 miRNA 的降解速率遠大于植物對照組；他們又用高碘蛋白分別處理動植物 miRNA，結果顯示，植物 miRNA 在氧化作用下較穩定，而動物 miRNA 卻無法抵抗氧化；同時，他們人工合成了無甲基化修飾的植物 miRNA，置入 pH 為 2.0 的酸性溶液中，發現這種 miRNA 無法穩定存在。以上研究表明，植物 miRNA 特有的合成后甲基化修飾能保持植物 miRNA 的穩定性，避免其在酸性環境中快速降解。通過該機制，植物 miRNA 可成功躲避消化道酸性環境侵蝕，通過動物胃腸道途徑進入循環系統。
為進一步探究可通過胃腸道途徑的異種 RNA，Zhang 等[4]團隊的研究人員分別給小鼠喂食單鏈 miRNA（ssRNA）、雙鏈 miRNA（dsRNA）、前體 miRNA（preRNA）、miRNA 逆轉錄得到的單鏈 DNA（ssDNA）、前體 miRNA 逆轉錄得到的 DNA（preDNA）及成熟植物 miRNA 后發現，小鼠血清中無法檢測到 ssRNA、dsRNA、preRNA、ssDNA、preDNA，僅能檢測到成熟植物 miRNA，這是該研究團隊第一次發現具有完整功能結構的植物核苷酸可以抵抗胃腸道途徑消化并被運送至組織。
3.2 植物 miRNA 靶向調控動物 mRNA 的機制及研究現狀
近年來有研究[23]發現，人體鐮刀細胞中的 miRNA-451 及 miRNA-233 可以抑制瘧原蟲的生長，結果提示，人體 miRNA 可調節其他物種的生長活動。植物性食物中的成熟植物 miRNA 抵抗攝入者胃腸道的降解，通過胃腸道途徑進入生物體內，于攝入者的循環系統中穩定存在，并可轉運至各器官之中[24]，這意味著植物 miRNA 可能調節動物生理活動，故有學者[25]提出，miRNA 可以在物種間水平轉移，這意味著一個物種的 miRNA 可能參與調控或遠或近的其他物種的某些病理生理功能。
除小鼠受到外源性植物 miRNA-168a 的調控外[4]，研究者[26]還發現其他大量植物 miRNA 具有跨物種調控的能力，如植物 miRNA-159 可跨物種抑制乳腺癌生長，其與靶基因 TCF-7 產生的 mRNA 非翻譯區結合，使該 mRNA 降解，達到調控效果。有研究[27]發現，昆蟲腸道經常從外界攝取外源性小 RNA，而幼蜂攝入食物中的植物 miRNA導致自身卵巢發育受限，整體生長受抑制而導致幼蜂最終成長為工蜂[28-29]。目前穩定存在于動物體內的植物 miRNA 靶向調節動物基因表達水平的機制如下：植物 miRNA 首先通過胃腸道，而后進入小腸分泌的微泡中，經過動物的循環系統靶向運往器官、組織處[4]。通過胃腸道途徑的植物 miRNA 與靶 mRNA 結合發揮其生物學調控作用。
通常在動物中，一種 miRNA 可調節多種靶 mRNA，一種 mRNA 也可以由多種 miRNA 共同調控。相比而言，植物 miRNA 與靶 mRNA 結合則需要二者序列高度匹配[30]，即一種植物 miRNA 僅調控一種 mRNA[31]。因此，動物 miRNA 調節范圍更廣泛，植物 miRNA 調節更精準。而植物 miRNA 正是選擇性包裹進入微泡，主動運輸至靶點處，結合目標 mRNA，進而調控靶基因及細胞功能，如植物 miRNA-168a 可特異性地靶向結合低密度脂蛋白受體銜接蛋白 1（LDLRAP1）的 mRNA，抑制小鼠 LDLRAP1 的表達，從而跨物種調控小鼠的脂代謝[4]；再如金銀花中的 miRNA-2911 可被小鼠胃腸道吸收并直接流向小鼠體內的甲流病毒，抑制甲流病毒編碼的 PB2 和 NS1 蛋白表達，從而抑制病毒復制[32]；寄生植物菟絲子中的 miRNA 可轉移到宿主植物中，靶向對應 mRNA，產生次級小干擾 RNA 以及 mRNA 切割效應，以此沉默靶 mRNA，調節宿主基因表達水平[33]。以上這些研究都證明了植物 miRNA的靶向運輸作用。
隨后，植物 miRNA 與靶向的 mRNA 3′ 端非翻譯區特異性互補結合[34]，引導 RNA 誘導沉默復合體結合至 mRNA 上，從而切割降解 mRNA，導致其靶基因表達下調或翻譯抑制，進而使靶蛋白表達下降，調節動物的病理生理活動。
雖然所有植物 miRNA 都有甲基化末端，但并非所有植物 miRNA 都能被動物吸收利用，決定動物選擇性吸收并利用植物 miRNA 的機制仍待深入研究。盡管如此，植物 miRNA 跨物種調控作為植物化學物質調節人類健康及疾病的新機制，這一研究方向對我們依然具有重大意義和潛在應用價值。我們可以依據植物化學物質在動物體內產生的已知功能及調控機制，推測植物 miRNA 在動物體內的功能及相應機制。如植物化學物質可以抗腫瘤干細胞的增殖[35]，那么同樣作為植物性食品成分的植物 miRNA 是否同樣具備緩解動物疾病的能力等。
4 問題與展望
盡管已有研究證實植物 miRNA 可以跨胃腸道調控動物特定生物學功能，為植物參與調控人類健康及疾病發生、發展的新機制提供了實驗依據，但是食物中的 miRNA 是否受加工、運輸、儲存方式的影響以及影響程度仍需深入挖掘；同時動物內存在的植物 miRNA 含量很低，不同動物體內的植物 miRNA 的種類也不盡相同。雖然上述問題仍未解決，但是相信隨著研究的不斷進展，掌握 miRNA 跨物種調控的機制會對預防人類疾病和保持機體健康有巨大幫助。如一種植物中是否含有某種特定的 miRNA可能成為食物化學預防功能判斷的新標準；此外，許多自然現象也可能得以深入解釋，比如一方水土養育一方人、同一環境中的動植物共同進化、我國傳統中藥的部分治病原理等。因此，盡管我們對這些跨物種調控的植物 miRNA 研究還不夠深入，但是隨著科研人員的不斷探究，這種新機制必然有助于我們更深層次地認識人類健康及疾病。
植物在調節人體健康及疾病中具有重要作用，其中植物化學物質已經得到廣泛研究。植物化學物質是植物中除蛋白質、脂類、碳水化合物（膳食纖維）、維生素和微量元素以外豐富的生物活性物質，其具有多種生物功能，通過調節免疫、抗腫瘤[1]、抗氧化、清除自由基等作用調節動物的病理生理功能。攝入有益的植物化學物質有助于改善機體心腦血管疾病、惡性腫瘤、2 型糖尿病及癡呆的預后[2]。另也有研究者[3]認為，植物化學物質的功能對人體極為重要，故植物化學物質也被視為一種新的營養成分。植物化學物質在維持人類的健康及調節疾病中起到了重要作用。有研究[4-5]發現，除現有已知的植物化學物質對人體的作用機制外，植物微小 RNA（microRNA，miRNA）的跨物種調控作為一個新機制在植物性食品調節人類健康及疾病中也起到了重要作用。筆者現對近年來關于植物 miRNA 跨物種調控人類健康及疾病新機制的文獻進行綜述，總結了該領域研究近況及植物 miRNA 調節動物基因表達的方式。
1 植物化學物質可通過多種途徑調節動物的病理生理功能
植物化學物質包含多種不同物質，如植物多酚類、皂苷類、多糖類等生物活性物質，其中植物多酚類物質具有重要的抗腫瘤作用[6]，皂苷類由于其抑制腫瘤增殖、抗氧化作用得到了人們認可[7]，多糖類由于具有抗氧化[8]、清除自由基團等抗腫瘤作用參與調控人體健康與疾病[9]。目前眾多實驗研究均證實植物化學物質具有多種調控機制，如結直腸可利用越橘成分在體外能顯著抑制人結直腸癌 Lovo 細胞系的增殖和侵襲，并協助抵抗 DNA 損傷[10]。多酚類植物可抑制表皮生長因子受體及血管內皮生長因子受體的信號轉導、抑制炎癥發生、調節表觀遺傳，可用于結直腸癌的化學預防[11]。此外，植物化學物質還可以通過免疫調節作用、抗微生物作用、降低膽固醇作用參與緩解人體不同疾病[12]。
2 miRNA 在調節動植物生理功能中的重要作用
植物性食品中不僅含有營養成分、植物化學物質等，還包含植物 miRNA。作為信號分子，miRNA 在各種生物調控中均起到了重要作用。miRNA 是一種長約 19～25 個核苷酸長度的非編碼小 RNA，其與對應的 mRNA 結合起到調控作用[13-14]。研究[15]表明，miRNA 可以調控 30% 以上的人類基因表達。還有研究[16]表明，異常 miRNA 表達使體內 mRNA 與 miRNA 間失衡，導致多種疾病甚至惡性腫瘤的發生。一種 miRNA 可以結合多種靶序列，體內、體外的實驗均顯示 miRNA 的小分子調節對多種疾病均具有治療潛力[17]。
3 植物 miRNA 的跨物種調控機制及研究現狀
3.1 植物 miRNA 通過胃腸道途徑完整進入動物體內的機制
一直以來，科學家們均認為植物 miRNA 無法避免動物消化道的降解，即植物 miRNA 無法穩定存在于動物體內，因此忽略了動物從飲食中獲取并利用植物 miRNA 的可能性。直至 2012 年 Zhang 等[4]團隊提出跨物種調控學說才改變了這一觀點。有研究者[18-19]采用多組實驗對照分析發現，植物 miRNA 存在于動物血漿及血清中，而微泡中更是容納了 50% 以上的植物 miRNA。微泡是細胞分泌的囊泡，具備雙層的脂質膜結構，是細胞間信號傳導的重要載體[20]。
動物從食物中攝入可吸收的營養成分和植物化學物質，同時攝入植物 miRNA 進入胃腸道，各種營養物質均被分解吸收，但植物 miRNA 卻未被分解。現階段研究[21-22]表明，植物在合成 miRNA 后，會在其 3′末端加以甲基化修飾，以此保護其 3′端活性，預防植物 miRNA 被降解，但動物 miRNA 在合成后極少有這種修飾過程。Zhang 等[4]團隊將動物 miRNA 和植物 miRNA 分別置于模擬胃內酸性環境（pH 為 2.0）的溶液中發現，動物 miRNA 的降解速率遠大于植物對照組；他們又用高碘蛋白分別處理動植物 miRNA，結果顯示，植物 miRNA 在氧化作用下較穩定，而動物 miRNA 卻無法抵抗氧化；同時，他們人工合成了無甲基化修飾的植物 miRNA，置入 pH 為 2.0 的酸性溶液中，發現這種 miRNA 無法穩定存在。以上研究表明，植物 miRNA 特有的合成后甲基化修飾能保持植物 miRNA 的穩定性，避免其在酸性環境中快速降解。通過該機制，植物 miRNA 可成功躲避消化道酸性環境侵蝕，通過動物胃腸道途徑進入循環系統。
為進一步探究可通過胃腸道途徑的異種 RNA，Zhang 等[4]團隊的研究人員分別給小鼠喂食單鏈 miRNA（ssRNA）、雙鏈 miRNA（dsRNA）、前體 miRNA（preRNA）、miRNA 逆轉錄得到的單鏈 DNA（ssDNA）、前體 miRNA 逆轉錄得到的 DNA（preDNA）及成熟植物 miRNA 后發現，小鼠血清中無法檢測到 ssRNA、dsRNA、preRNA、ssDNA、preDNA，僅能檢測到成熟植物 miRNA，這是該研究團隊第一次發現具有完整功能結構的植物核苷酸可以抵抗胃腸道途徑消化并被運送至組織。
3.2 植物 miRNA 靶向調控動物 mRNA 的機制及研究現狀
近年來有研究[23]發現，人體鐮刀細胞中的 miRNA-451 及 miRNA-233 可以抑制瘧原蟲的生長，結果提示，人體 miRNA 可調節其他物種的生長活動。植物性食物中的成熟植物 miRNA 抵抗攝入者胃腸道的降解，通過胃腸道途徑進入生物體內，于攝入者的循環系統中穩定存在，并可轉運至各器官之中[24]，這意味著植物 miRNA 可能調節動物生理活動，故有學者[25]提出，miRNA 可以在物種間水平轉移，這意味著一個物種的 miRNA 可能參與調控或遠或近的其他物種的某些病理生理功能。
除小鼠受到外源性植物 miRNA-168a 的調控外[4]，研究者[26]還發現其他大量植物 miRNA 具有跨物種調控的能力，如植物 miRNA-159 可跨物種抑制乳腺癌生長，其與靶基因 TCF-7 產生的 mRNA 非翻譯區結合，使該 mRNA 降解，達到調控效果。有研究[27]發現，昆蟲腸道經常從外界攝取外源性小 RNA，而幼蜂攝入食物中的植物 miRNA導致自身卵巢發育受限，整體生長受抑制而導致幼蜂最終成長為工蜂[28-29]。目前穩定存在于動物體內的植物 miRNA 靶向調節動物基因表達水平的機制如下：植物 miRNA 首先通過胃腸道，而后進入小腸分泌的微泡中，經過動物的循環系統靶向運往器官、組織處[4]。通過胃腸道途徑的植物 miRNA 與靶 mRNA 結合發揮其生物學調控作用。
通常在動物中，一種 miRNA 可調節多種靶 mRNA，一種 mRNA 也可以由多種 miRNA 共同調控。相比而言，植物 miRNA 與靶 mRNA 結合則需要二者序列高度匹配[30]，即一種植物 miRNA 僅調控一種 mRNA[31]。因此，動物 miRNA 調節范圍更廣泛，植物 miRNA 調節更精準。而植物 miRNA 正是選擇性包裹進入微泡，主動運輸至靶點處，結合目標 mRNA，進而調控靶基因及細胞功能，如植物 miRNA-168a 可特異性地靶向結合低密度脂蛋白受體銜接蛋白 1（LDLRAP1）的 mRNA，抑制小鼠 LDLRAP1 的表達，從而跨物種調控小鼠的脂代謝[4]；再如金銀花中的 miRNA-2911 可被小鼠胃腸道吸收并直接流向小鼠體內的甲流病毒，抑制甲流病毒編碼的 PB2 和 NS1 蛋白表達，從而抑制病毒復制[32]；寄生植物菟絲子中的 miRNA 可轉移到宿主植物中，靶向對應 mRNA，產生次級小干擾 RNA 以及 mRNA 切割效應，以此沉默靶 mRNA，調節宿主基因表達水平[33]。以上這些研究都證明了植物 miRNA的靶向運輸作用。
隨后，植物 miRNA 與靶向的 mRNA 3′ 端非翻譯區特異性互補結合[34]，引導 RNA 誘導沉默復合體結合至 mRNA 上，從而切割降解 mRNA，導致其靶基因表達下調或翻譯抑制，進而使靶蛋白表達下降，調節動物的病理生理活動。
雖然所有植物 miRNA 都有甲基化末端，但并非所有植物 miRNA 都能被動物吸收利用，決定動物選擇性吸收并利用植物 miRNA 的機制仍待深入研究。盡管如此，植物 miRNA 跨物種調控作為植物化學物質調節人類健康及疾病的新機制，這一研究方向對我們依然具有重大意義和潛在應用價值。我們可以依據植物化學物質在動物體內產生的已知功能及調控機制，推測植物 miRNA 在動物體內的功能及相應機制。如植物化學物質可以抗腫瘤干細胞的增殖[35]，那么同樣作為植物性食品成分的植物 miRNA 是否同樣具備緩解動物疾病的能力等。
4 問題與展望
盡管已有研究證實植物 miRNA 可以跨胃腸道調控動物特定生物學功能，為植物參與調控人類健康及疾病發生、發展的新機制提供了實驗依據，但是食物中的 miRNA 是否受加工、運輸、儲存方式的影響以及影響程度仍需深入挖掘；同時動物內存在的植物 miRNA 含量很低，不同動物體內的植物 miRNA 的種類也不盡相同。雖然上述問題仍未解決，但是相信隨著研究的不斷進展，掌握 miRNA 跨物種調控的機制會對預防人類疾病和保持機體健康有巨大幫助。如一種植物中是否含有某種特定的 miRNA可能成為食物化學預防功能判斷的新標準；此外，許多自然現象也可能得以深入解釋，比如一方水土養育一方人、同一環境中的動植物共同進化、我國傳統中藥的部分治病原理等。因此，盡管我們對這些跨物種調控的植物 miRNA 研究還不夠深入，但是隨著科研人員的不斷探究，這種新機制必然有助于我們更深層次地認識人類健康及疾病。