已发现1400多种,功能或媲美"母乳低聚糖",这是啥?
Tien Nguyen 2020-06-26
母乳富含生物活性分子,而许多分子的作用尚不清楚。

编者按:

microRNA(miRNA)是一类由 22 个核苷酸组成的 RNA 链,存在于被称为外泌体的囊泡中。

之前,我们《肠道产业》已经特别编译了最新一期 Nature Outlook 中关于食物来源的 miRNA:营养素之外:乳汁植物都含有,进肠入血到大脑,啥这么奇妙?

今天,我们特别关注这一期 Nature Outlook 中另一篇文章——母乳中的 miRNA。十年前,科学家就在母乳中发现了 miRNA 的存在;然而十年后的今天,科学家们仍在尝试弄清楚它们为什么会在母乳中存在以及它们是如何影响健康的。

那么未来,这些来自母乳的 miRNA 有可能会像人乳低聚糖一样被添加到配方奶粉中吗?一起来看看答案吧!希望本文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些启发和帮助。

母乳喂养

母乳是一种奇迹般的食物,它富含营养物质和其他对婴儿健康有益的物质。一项长期研究表明,母乳喂养可能会降低婴儿罹患感染、糖尿病和呼吸道疾病的风险。

许多科学家们正忙于研究母乳究竟是如何提供这些保护作用的。

来自宾夕法尼亚州立大学医学院的儿科医生 Steven Hicks 表示:“研究人员们已经很好地了解了母乳所含有的营养成分,例如会影响婴儿健康的脂肪和维生素,但是母乳是由许多生物活性分子构成的复杂混合物,而许多成分的具体作用尚不清楚。”

Hick说道:“关于母乳以及母乳是如何提供健康益处的知识库,仍在不断扩充中,每当我们认为我们已经搞清楚了这个问题时,一个科学家就会在这时出现,表示他发现了一个未知的或者我们没有意识到它重要性的分子。”

其中一个典例就是 miRNA——一类由 22 个核苷酸组成的短而脆弱的 RNA 链,它存在于一种被称为外泌体的具有保护作用的胞外囊泡中。

曾经被作为基因垃圾而遭到忽视的 miRNA,现在却作为调控基因表达的重要角色而备受关注。miRNA 通过连接到与之互补配对的信使 RNA 链(参与蛋白质合成的 RNA)上,实现对信使 RNA 的控制,决定蛋白质的合成。

然而,直到 2010 年,人们才在乳腺中发现了 miRNA 的存在1。研究人员们猜测,这些分子在调节婴儿发育方面发挥了重要作用,比如免疫功能。如果这是真的,我们可以将 miRNA 添加到婴儿配方奶粉中,这样人工喂养的婴儿就不会缺失这些健康益处。

但在这之前,研究人员必须先回答关于这些分子的基本问题——包括 miRNA 是否能在肠道中存活。

母乳中的 miRNA 可能在婴儿的发育过程中,发挥着重要的调节作用。

营养物质还是功能性物质?

加州大学戴维斯分校的生物化学家 Bo Lönnerdal 花费了几十年时间,研究母乳中的生物活性成分。当 Lönnerdal 得知研究人员们在母乳中发现了 miRNA 时,他想知道这些存在于母乳中的分子究竟做了些什么事情。

他回忆说:“在母乳中出现这些看似随机的 RNA 片段,肯定是有其原因的。”

为了解释它们存在的原因,研究人员们提出了两种理论:第一种被称为“营养假说”,它认为 miRNA 只是一种便利的营养物“包装”,很像母乳中的一种主要蛋白质——血清白蛋白,它在肠道中可被分解;第二种被称为“功能假说”,此观点认为 miRNA 具有调节功能并影响婴儿的基因表达。

要弄清楚 miRNA 是否不止是分子级别的婴儿食物,一种方法是确定它在消化过程中是否会被分解掉,或者说它是否会“存活”下来并对肠壁和肠壁以外的细胞产生影响。

在 2017 年,Lönnerdal 和他的同事们研究了这个问题,他们将母乳中含有 miRNA 的外泌体暴露在模拟婴儿肠道的酸性条件下,观察它们会如何发生改变。

Lönnerdal 说:“它们存活得很好。”外泌体可保护脆弱的 miRNA 不被降解。该团队还发现,当外泌体与人类细胞一起孵养时,miRNA 会进入细胞核,从而在细胞核中影响基因表达2

并不是每个人都同意 miRNA 可以在胃中存活的结论。瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)的研究人员发现,在小鼠的消化器官或血液中没有相应生物学水平的 miRNA 3。但有人认为,miRNA 可能在非常低的剂量下仍然保持活跃,而且有进一步的研究支持了 miRNA 可以承受酸性条件的观点。

为了一劳永逸地解决这个问题,包括 Hicks 在内的研究人员正在设计针对母乳喂养婴儿的临床研究。一项致力于检测婴儿粪便中完整 miRNA 的研究已经在进行中。

识别母乳中的miRNA

除了 miRNA 能否存活的问题之外,迄今为止,科学家们目前的工作重点主要是识别母乳中的常见 miRNA,以及研究它们可能会影响哪些生物学过程。

第一部分——从母乳样本中分离出 miRNA 相当简单,但是之后,Hicks 说:“就有点像猜谜游戏了。”

他解释说,一旦研究人员获得了一串大约 22 个碱基的 miRNA,他们就可以将其和与之互补的 mRNA 进行配对。这种 mRNA 可能编码一种参与关键生物过程(比如免疫功能或新陈代谢)的蛋白质。

Hicks 说,然而,问题是 mRNA 比 miRNA 大得多。因此,一条 miRNA 可能匹配 20~50 个 mRNA。科学家们正在使用软件算法来缩减他们的结果——淘汰掉存在一个或两个碱基对配对不完美的匹配,或者搜索文献来找到以前报道的特定 miRNA 和 mRNA 之间的匹配。

根据 2019 年的一项调查,到目前为止,已经在母乳中发现了 1400 多种 miRNA 4。一些研究已经将母乳中的主要 miRNA 与免疫反应的调控联系起来。

比如,有一篇文章报道,miRNA-148a 在母乳中高度表达5。这种特殊的 miRNA 已经被证实可以抑制肿瘤细胞中参与增殖的基因的活性,这使得作者推测 miRNA-148a 或许可以保护婴儿不受癌症侵袭。

这篇论文的作者之一——耶路撒冷 Hadassah 医学中心的 Regina Golan-Gerstl 目前正在研究包含 miRNA 的外泌体是否能穿过肠道并通过血液到达其他器官。

利用荧光标记技术,她的团队在小鼠的肝脏和大脑中检测出了外泌体,这表明 miRNA 可以到达身体其他部位的细胞中去,并可能参与调节它们中的基因的表达。而另一项研究已经表明,牛奶中的 miRNA 可以到达小鼠的肝脏和大脑6

Hicks 的研究小组发现,足月分娩的母亲的母乳中发现的 miRNA 与早产母亲的母乳中发现的 miRNA 并不相同。

研究人员们发现,早产母亲的母乳中含有较多的 miRNA,这些 miRNA 和与代谢相关的 mRNA 发生关联7。Hicks 说,这表明在早产情况下,母乳中的 miRNA 成分发生了变化,从而可能帮助她的婴儿生长得更快,以便赶上正常婴儿的生长水平。

研究还发现,生下早产儿的母亲所产的母乳含有更高浓度的大量营养元素,如蛋白质和脂肪。

Hicks 说:“这些发现可能会对早产婴儿的健康产生可能的影响。”早产婴儿的母亲有时不能母乳喂养,因为她们的身体还没有开始产奶。重症监护室的早产儿通常会得到母乳库捐赠的母乳,而这些母乳库中储存有足月和早产的母乳,但目前还没有对捐赠的母乳进行足月和早产的区分。

Hicks 建议改变这种做法,并建议医生考虑给早产儿提供由早产母亲提供的母乳,这样或许可以对这些婴儿的发育产生有益影响。

伦理学的挑战

在 miRNA 和婴儿健康之间建立直接的联系可能会带来伦理学上的挑战。传统的临床试验通常包括一个对照组,这意味着一些婴儿会得到 miRNA,而另一些则不会。

Lönnerdal 说:“尽管科学家们不确定 miRNA 是否能改善婴儿的健康,但很难想象一个伦理委员会会批准一项从一群婴儿中剥夺潜在有益分子的试验。”

所以,研究人员们可能仅仅被允许开展观察性研究。今年 2 月份,Hicks 的团队招募到了第 185 对母子进行一项临床研究,该研究由密歇根州弗里蒙特市的非营利性 Gerber 基金会资助。该研究最终纳入 200 多对参与者。

这项始于 2018 年的试验测量了母乳、婴儿唾液和婴儿粪便中 miRNA 的水平,并持续 12 个月以上。它还追踪了婴儿的健康状况——特别是他们是否会出现食物过敏、湿疹或哮喘等症状。

Hicks 说,他的研究小组正在寻找在经历消化过程后存活下来并高水平表达的特定 miRNA 与婴儿健康之间的关系。该小组的研究结果可能是甄别出影响婴儿健康的 miRNA 的第一步。

Hicks 说:“确认 miRNA 的作用机制将需要更多的基础科学。”

他补充道:“如果有证据表明 miRNA 是有益的,那么我们下一步要做的就是在婴儿配方奶粉中添加这些分子。但考虑到配方奶粉行业的消费者是婴儿,因此在产品中增加添加剂将是十分困难的。“

事实上,十多年前,人乳低聚糖——2'-岩藻糖基乳糖(2 '-focusyllactose)和乳糖-N-新四糖(lacto-N-neotetraose)这两种成分就被证明对婴儿健康有益(包括改善肠道健康),但是,直到 2016 年和 2017 年它们才分别在美国和在欧洲被正式添加到配方奶粉中。

Lönnerdal 预测,像 miRNA 这样的分子将更难被接受,因为它们的发现起源于癌症研究——miRNA 的失调与某些类型的癌症有关。

“如果你携带了某些 miRNA,可能会像很多父母那样得癌症。”他说。尽管配方奶粉产业界在科学会议上表达了一些对 miRNA 研究的兴趣,但是这些分子的市场吸引力可能会对其研究方向的决策产生影响。

Golan-Gerstl 说,如果配方奶粉公司决定添加 miRNA 的话,他们可以使用从动物体内分离出来这些小分子。她的团队的研究结果表明,在母乳中发现的大约 90% 的 miRNA也同样存在于奶牛和山羊的母乳中5

她说:“鉴于许多人偏爱标示为天然的产品,动物源性分子可能比人造分子更容易为公众所接受,而且更有可能获得批准。”

但是 Golan-Gerstl 说,把 miRNA 应用到配方中,并不一定是该领域的唯一焦点,揭示母乳 miRNA 的健康益处,就本身而言,可能是更有价值的信息,因为她相信母乳会给我们带来更多惊喜。

参考文献:

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1.Kosaka, N., Izumi, H., Sekine, K. & Ochiya, T. Silence 1, 7 (2010).

2.Liao, Y., Du, X., Li, J. & Lönnerdal, B. Mol. Nutr. Food Res. 61, 1700082 (2017).

3.Title, A. C., Denzler, R. & Stoffel, M. J. Biol. Chem. 290, 23680–23691 (2015)

4.Benmoussa, A. & Provost, P. Compr. Rev. Food Sci. Food Safe. 18, 703–722 (2019).

5.Golan-Gerstl, R. et al. Mol. Nutr. Food Res. 61, 1700009 (2017).

6.Manca, S. et al. Sci. Rep. 8, 11321 (2018).

7.Carney, M. C. et al. Pediatric Res. 82, 226–236 (2017).


原文链接:https://www.nature.com/articles/d41586-020-01768-w

作者|Tien Nguyen

编译|朱国利

审校|617

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