Джиан Ян

1 Министерство на земеделието на САЩ/Служба за земеделски изследвания, Детски център за изследване на храненето, Катедра по педиатрия, Медицински колеж Baylor, Хюстън, Тексас 77030, САЩ; Имейли: ude.mcb@hadnek (K.D.H.); ude.mcb@remrafml (L.M.F.)

Кендал Д. Хирши

1 Министерство на земеделието на САЩ/Служба за земеделски изследвания, Детски център за изследване на храненето, Катедра по педиатрия, Медицински колеж Baylor, Хюстън, Тексас 77030, САЩ; Имейли: ude.mcb@hadnek (K.D.H.); ude.mcb@remrafml (L.M.F.)

2 Център за подобряване на зеленчуци и плодове, Texas A&M University, College Station, TX 77845, САЩ

Лиза М. Фермер

1 Министерство на земеделието на САЩ/Служба за земеделски изследвания, Детски център за изследване на храненето, Катедра по педиатрия, Медицински колеж Baylor, Хюстън, Тексас 77030, САЩ; Имейли: ude.mcb@hadnek (K.D.H.); ude.mcb@remrafml (L.M.F.)

Резюме

микроРНК (miRNAs), клас малки РНК, са важни регулатори на различни процеси на развитие както при растенията, така и при животните. Преди няколко години доклад показва откриването на получени от храната растителни miRNAs в тъканите на бозайници и тяхното регулиране на гени на бозайници, предизвиквайки традиционните функции на miRNAs на растенията. Впоследствие множество усилия се опитваха да възпроизведат тези констатации, като резултатите се аргументираха срещу приемането на растителни диетични miRNAs при здрави потребители. Освен това няколко доклада предполагат възможността за „фалшиво положително“ откриване на растителни miRNAs в човешки тъкани. Междувременно някои изследвания продължават да предполагат както наличието, така и функцията на хранителните miRNAs в тъканите на бозайници. Тук правим преглед на неотдавнашната литература и обсъждаме силните и слабите страни на нововъзникващата работа, която предполага осъществимостта на диетичното доставяне на miRNAs. Също така обсъждаме бъдещи експериментални подходи за справяне с тази противоречива тема.

1. Въведение

По-голямата част от хората в света живеят предимно на растителна диета. Подобно на смесването на биоактивни съединения, открити в растенията, нашата диета също така съдържа различни малки РНК, включително микроРНК (miRNAs), които са с дължина 19–24 нуклеотида [1]. В плантата тези малки РНК помагат за регулиране на метаболизма, растежа и реакциите на стрес, като се прикрепят към специфични иРНК и модифицират техния транслация. Може ли растителните miRNAs да регулират генната експресия в потребителя?

В животинските клетки miRNAs инхибират транслацията или стабилността на mRNA транскриптите, като се свързват с тях с до голяма степен несъвършена комплементарност [1]. Чрез разпознаване на стотици транскрипти на иРНК, една миРНК може да измести целия транскрипционен профил на клетката, в съответствие с основната роля на миРНК при установяването и поддържането на тъканната идентичност [2]. За разлика от това, растителните miRNAs се сдвояват с техните цели с по същество перфектно допълване и ефект на разцепване и разграждане на РНК, а не транслационна репресия [1]. Независимо от механизма, ендогенната система miRNA на организма се използва за регулиране на много процеси, включително растеж и адаптивни реакции. Освен че функционират локално в животинските клетки, е предложен модел, при който miRNAs се капсулират от микровезикули (MV), които се отделят от почти всички клетъчни типове и имат потенциал да пътуват до и да взаимодействат със специфични целеви клетки [3,4]. Всъщност някои проучвания показват, че стабилните miRNAs в кръвта на бозайници могат да служат като клас биомаркери [5].

Доставката на miRNA-подобни видове, наречени къса интерферираща РНК (siRNA), различаваща се от miRNA по това, че siRNAs са напълно допълващи своите цели и показват растително разцепване и разграждане на транскрипти, подобни на RNA, в основата на РНК интерференция (RNAi) подходи за промяна на експресията на животинския ген в експерименталната биология. Прозрачният нематод Caenorhabditis elegans е чудесен модел за демонстриране на RNAi, тъй като доставката на siRNA е относително проста, но изключително ефективна. Мембранен транспортер, SID1, участва в това доставяне на РНК [6], което изглежда е независимо от микровезикулите. Бактериите, проектирани да експресират желаната siRNA, могат да бъдат подадени към червеите и ще прехвърлят пратката си към червея чрез чревния тракт [7]. Тази зависима от SID1 „доставка чрез хранене“ е ефективна и икономична; обаче не е установена окончателна роля на SID1 хомолозите при висшите еукариоти.

Поразителен доклад предполага, че погълнатите растителни miRNAs се прехвърлят в кръвта, натрупват се в тъканите и упражняват регулиране на транскриптите при консумиращите животни [8]. Сега обаче доказателствата сочат, че твърденията за доставка и ефект [8] може да не са общоприложими за всички потребители [9,10]. В същото време други доклади показват доказателства за поемането и функционирането на растителни miRNA във връзка с определени miRNAs/потребители [11,12,13,14]. Тук се стремим да прегледаме настоящото състояние на знанията, да предложим бъдещи насоки и да разгледаме как тези открития могат да повлияят на храненето, медицината и агробиотехнологиите.

2. Преглед на основните техники, използвани за измерване на нивата на микроРНК

Независимо от използваната техника, твърде голяма чувствителност, отколкото твърде малко, често е проблем. Разпространението на замърсяването с нуклеинова киселина може да доведе до фалшиви положителни резултати, които объркват експерименталните изследвания [20,21]. Няма да се справяме с техническите недостатъци, използвани в различни изследвания; обаче читателят трябва да има предвид, че трябва да се използват множество подходи и че независимо от методологията, когато се открият ниски нива на miRNA, първото съображение както на изследователя, така и на читателя трябва да бъде замърсяване или фонов сигнал, а не изключително ниско ниво израз.

3. Първоначална публикация за усвояване и функциониране на диетични микроРНК при бозайници

МиРНК от растителен произход изглежда се доставят по време на поглъщане, но те активни ли са? Използвайки биоинформатичен подход, изследователите заключиха, че MIR168a има способността да се свързва с иРНК, която се превръща в протеин 1 на адаптер за липопротеини с ниска плътност (LDLRAP1), който контролира нивата на холестерола в кръвта. Ако нивата на mRNA на LDLRAP1 спаднат, холестеролът в кръвта се повишава. За да се тества това in vivo, мишките са хранени с контролна диета, диета на основата на ориз или обогатена с MIR168a диета. При животни, на които се дава ориз и обогатени с MIR168a диети, авторите установяват, че нивата на MIR168a в черния дроб и кръвта се увеличават, докато нивата на LDLRAP1 протеин намаляват и нивата на холестерола им впоследствие се увеличават. Обратно, съединение, което специфично инхибира MIR168a да се свързва с иРНК LDLRAP1, блокира тези ефекти. Тези констатации са в съответствие с кръстосаното регулиране от хранителни miRNAs. За да обобщим, групата Zhang демонстрира както доставката, така и биологичните ефекти на хранителните miRNAs в животински тъкани.

4. Противоречиви доказателства за приемането на микроРНК от храната

Бяха оценени множество подробности от проучването на групата Zhang [9,22]. Например, по-малко от шепа растителни miRNAs се откриват редовно при хората; обаче има променливост между пробите. Нивата на две от хранителните miRNAs в тази публикация са открити на приблизително еднакви нива на някои ендогенни miPHK. Ако това е вярно, защо тези специфични miRNAs са практически неоткриваеми в повечето други проучвания, разглеждащи нивата на циркулиращи miRNA? Освен това имаше само минимални промени в хранителните нива на miRNA след хранене.

От 80 публични набора от данни, анализирани за доказателства за растителни miRNAs в животински течности и тъкани [23], приблизително 50 дават четения от по-малко от три очевидни растителни miRNA вида. Присъстваха растителни miRNAs със среден брой по-малко от шест на милион отчетени miRNA на животни (диапазон: 0.4–1089). MIR168a е регистриран малко по-често, при медиана от 181 броя на милион отчитания на miRNA на животни. В няколко прегледани набора от данни е открит вариант на MIR168a при животни, които не са получавали храна, съдържаща тази miRNA [23]. За да се приблизително излагането на мишки с диета в това проучване [8], човек с тегло 55 кг ще трябва да яде приблизително 33 кг варен ориз на ден [24]. Тези открития доведоха няколко групи до заключението, че MIR168a отчита в пробите от гръбначни животни не са биологично значими.

4.1. Неуспешно възпроизвеждане на семенното изследване с помощта на оризова диета при мишки

Всеобхватните усилия на изследователите на Monsanto и miRagen не успяха да възпроизведат работата на групата Zhang [10]. В това проучване на репликацията на мишките са дадени три диетични формулировки: стандартна чау, хранителна диета, еквивалентна на чау, но допълнена с 41% ориз, или сурова оризова диета. Използвайки тези различни режими на хранене, авторите не успяха да демонстрират последователно диетично доставяне на растителни miRNAs на животните. Всъщност в кръвта или органите на мишки, хранени с описаните диети, е открито малко или никаква растителна miRNA. Като такива, те не успяха да докажат, че специфични диетични miRNAs имат някакво влияние върху генната регулация на потребителите.

4.2. Човешки спортисти, медоносни пчели не показват очевидно усвояване на miRNA от растителни диети

4.3. Нито нормалните мишки, нито miR-21 нулевите мишки показват никаква абсорбция на диетични miRNAs

В трети подход за тестване на ефикасността на индуцирано от храната растително поемане на miRNA, Snow et al. хранени мишки с вегетариански или обогатени със соя диети, и двете съдържащи MIR156a, MIR159a и MIR169a, или диета на базата на казеин и свинска мас, която е лишена от гореспоменатите растителни miRNAs, но съдържа ендогенни miRNAs на животни. Животните консумират сравними обеми от всяка диета и впоследствие тяхната плазма се изследва за наличие на растителни miRNAs. Докато miR-16 беше в изобилие, изключително ниско ниво (Таблица 1 за най-високо изразените диетични miRNAs от различни култури, плодове и зеленчуци). Ако приемем, че абсорбираните растителни miRNAs се държат като ендогенни miRNAs на животни, където е необходима само частична комплементарност на последователността за осъществяване на регулацията на целевия ген, въздействието на хранителната miRNA върху метаболизма и развитието на животните може да бъде значително. Привлекателно е да се спекулира, че яденето на специфични растителни храни може да бъде ново, икономично и „естествено“ средство за доставяне на супресори на miRNA до целевите тъкани или за фина настройка на човешкото здраве като нетипични хранителни вещества. Ако този сценарий се развие, настоящите данни предполагат, че кинетиката на абсорбция ще трябва да бъде значително оптимизирана и доставката до определени тъкани подобрена. Ние предпочитаме модел, при който диетичните режими и физиологичните условия, които подобряват абсорбцията и ограничават екскрецията, биха могли да подкрепят функционалността на нуклеиновите киселини на хранителна основа в консумиращите популации. Установяването на тези условия може драстично да промени концепцията ни за връзката между здравето и храненето, да помогне за установяването на полезни диетични практики и потенциално да отвори нови перспективи за генна терапия.

маса 1

Силно експресирани диетични miRNA от различни култури, плодове, зеленчуци.

Видове Силно експресирани микроРНК
Ориз (Oryza Sativa)osa-miR156a, osa-miR168a, osa-miR1846e, osa-miR167d, osa-miR168b [30]
Царевица (Zea May)zma-miR156a, zma-miR168a, zma-miR 169c, zma-miR399e, zma-miR167a, zma-miR156 [31]
Соя (глицин макс)gma-MIR3522b, gma-MIR-1507a, gma-MIR 1509a, gma-MIR482 *, gma-MIR-1510a-5p, gma-MIR167d, gma-MIR 166a, gma-MIR-166b; gma-MIR396e [32]
Домат (Solanum lycopersicum)miR159 a, miR162b, miR168a, miR164c, miR164d [33]
Ечемик (Hordeum vulgare)hvu-miR168, hvu-miR156, hvu-miR167, hvu-miR165/166, hvu-miR172, hvu-miR2005 [34]
Дива пшеница (Triticum dicoccoides)miR159, miR1450, miR319, miR896, miR168, miR474, miR167, miR164, miR528, miR1436, miR396 и miR894 [35]
Фъстъци (Arachis hypogaea)ahy-miR157a, ahy-miR156a, ahy-miR168a, ahy-miR166a, ahy-miR166h, ahy-miR167f [36]
Сладък портокал (Citrus sinensis)csi-miR168a, csi-miR172a, csi-miR166j, csi-miR167a, csi-miR157a, csi-miR479, csi-miR156a [37]
Маслодайни семена (Brassica napus)miR156, miR157, miR168a, miR166, miR167, miR399 [38]

Агробиотехнолозите непрекъснато разработват култури, за да изразяват високи нива на нови малки РНК за контрол на болестите по растенията и увеличаване на добива [39]. Настоящата научна догма предполага, че консумацията на хранителни РНК няма влияние върху здравето [24]. Появяват се обаче доказателства, че miRNAs могат да функционират по неканоничен начин за потискане на генната експресия [40,41]. Въпреки че може да се изкуши да се предположи, че микроРНК с малък брой копия могат да упражняват регулаторно влияние, биологичните ефекти са трудни за представяне [22]. Както Snow et al. наблюдавани, диетични растителни miRNAs, дори и надеждно количествено измерими, присъстват в по-малко от едно копие на клетка в здрави целеви органи [16]. Въпреки че можем да спекулираме за репертоара на miRNA-медиирана регулация, в момента областта не разполага с анализи, които да осигурят стабилно регулаторни ефекти.

7. Упътвания за бъдещето

За всяко хранително вещество кръвообращението или нивото на тъканите зависи от следните параметри: обработка и прием на храна, разграждане и обработка от стомашно-чревния тракт, поемане и транспортиране през червата и произтичащите от това тъканни бариери, стабилност в циркулацията, секвестиране и метаболизъм от тъкани като като черен дроб и екскреция през бъбреците. Възможно е при определени патологични състояния червата на потребителя да бъдат модифицирани по начин, който да повиши стабилността на хранителните miRNAs в стомашно-чревния тракт и да засили абсорбцията в кръвния поток. Тези състояния могат да включват потиснати храносмилателни ензими, повишена пропускливост на лигавицата на червата, намалена деградация от черния дроб и намалена екскреция чрез бъбреците (вижте Фигура 1 за нашия модел на усвояване и динамика на растителните диетични микроРНК при бозайници).

отношение

Модел на диетичната микроРНК динамика в потребителя. Диетичните микроРНК, за да бъдат открити в кръвообращението и тъканите, трябва да заобикалят разграждането от червата; напречна чревна бариера (евентуално чрез активен транспорт през чревни епителни слоеве, чрез пропускаща лигавица на червата или трафик от имунните клетки, патрулиращи в червата); издържат на разграждане в обращение; преживяват секвестирането и метаболизма от тъканите като черния дроб; и преживяват филтрацията и екскрецията в бъбреците.

Тъй като основните опасения за диетичните miRNA проучвания произтичат от висока вариация и откриване на малък брой копия, трябва да се разработят по-разумни техники за откриване с по-надеждни нормализиращи последователности за количествено определяне на екзогенни miRNAs. Разработването на изключително чувствителни тъканни сензори (както се използва в C. elegans [32]) би могло да помогне за идентифициране както на присъствието, така и на функционалността на погълнатите от ниско ниво miPHK. В допълнение, молекулярният компонент, участващ в транспорта на miRNA, трябва да бъде изследван при животни.

8. Заключения

Изминаха повече от две години от оригиналната публикация, демонстрираща способността на хранителните miRNAs да пресичат червата на бозайниците и да регулират животински ген в черния дроб [8]. Въпреки че няколко проучвания предполагат, че това е възможен начин на кръстосано регулиране на гените, по-голямата част от работата поставя под съмнение валидността на този доклад [10,16,46]. По-голямата част от данните предполагат, че стомашно-чревното поемане на диетични растителни miRNA не се наблюдава при здрави потребители и измерваните нива на miRNA в тъканите и кръвта, които са докладвани, са толкова ограничени, че въздействието им върху храната е незначително. Въпреки това, скорошни проучвания [12,13,14] изглежда създават условия, които позволяват на miRNAs да преодолеят бариерите за влизане в потребителите (вж. Таблица 2 за обобщение на доказателствата за и против хипотезата за приемането и функционирането на miRNA при бозайници) . С броя на хората по света, живеещи при патологични или неблагоприятни хранителни условия, подобни изследвания остават валидно начинание, като се има предвид потенциално значимото въздействие на абсорбираните miRNAs върху генната експресия и последиците за клиничното приложение, храненето и земеделието.

Таблица 2

Обобщение на доказателствата относно приемането на микроРНК и функционалността на храните при потребителите.

Екзогенните нива в серума са непостоянни и обикновено ниски.

Различни проучвания за хранене от различни лаборатории не успяват да покажат усвояването на хранителните микроРНК.

Потискането на целта е показано само в първоначалното проучване и не е повторено от друга група.

В Silico анализи се предполага, че отчитането на микроРНК на растенията в животински тъкани може да се дължи на замърсяване.

Устното поемане на екзогенни микроРНК е добре характеризирано при нематоди и насекоми (косвени доказателства).

Постоянно се съобщава за откриване на гъбични, бактериални и растителни микроРНК в циркулацията на бозайници.

Потискане на целта MIR168a, показано в първоначалното проучване.

Откриване на MIR172 в циркулация и различни органи при мишки, хранени с зеле.

Доклад за микроРНК, получени от говеждо мляко, които се абсорбират при хора и мишки.

Откриване на получена от орлови нокти малка РНК MIR2911 в циркулация на мишка и урина и доклад за антивирусни функции на MIR2911 in vivo при мишки.

Доклад за туморен супресиращ ефект от перорално хранени синтетични туморни супресори микроРНК с растителна микроРНК химия.

Благодарности

Тази работа беше подкрепена от USDA/ARIS 6250-51000-051-00D и средства от Програмите за изследване на здравето на соевото здраве и сухия боб към KDH. LMF беше подкрепен с безвъзмездна помощ от NIH (5T32HD071839-02). Благодарим на много лаборатории, които са допринесли за тази област, както цитирани, така и не цитирани поради ограничението на пространството. Благодарим също на Abia A. A. Agyekum и Ismail Elbaz за предоставената ценна информация за написването на ръкописите.

Принос на автора

J.Y., K.D.H. и L.M.F. замислил и написал доклада. Всички автори прочетоха и одобриха окончателния ръкопис.

Конфликт на интереси

Авторите не декларират конфликт на интереси.