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探索·收获!Nature专题报道南京大学张辰宇教授细胞外RNA研究进展

探索·收获!Nature专题报道南京大学张辰宇教授细胞外RNA研究进展
2020年10月23日 09:14 新浪网 作者 中国青年报

  近日,《自然》杂志专访我校生命科学学院院长张辰宇教授团队,“Nature自然科研”公众号对此次专访“looking outside the cell for potential”(“挖掘细胞外RNA的潜力”)做了中文推广。张辰宇在访谈中讲述了团队探索细胞外RNA的研究经历、成果意义和未来展望。现将全文刊登如下:

  挖掘细胞外RNA的潜力

  自从发现微小核糖核酸(miRNA)在细胞外也可以稳定存在以来,南京大学的一支团队在细胞外RNA领域作出了突出贡献,为开发该领域在疾病诊断和治疗上的潜力开辟了道路。

  自从miRNA被发现以来,大多数研究人员相信它和其它RNA一样,只存在于细胞内。但南京大学生命科学学院院长张辰宇却不这么认为。他带领团队研究miRNA长达十多年的时间,并发现了这种核酸的多种细胞外潜在功能。他们的工作或能解开存在已久的细胞间交流和物种串扰的谜题,并有望带来新的诊断与治疗方法。在此,张院长讲述了他们对细胞外RNA(exRNA)的探索,以及他们主要研究成果的重要意义。

  《自然》杂志:您在何种契机下开始研究细胞外miRNA?

  张辰宇:我一直从事医学生物学研究,希望能将生命科学基础研究的发现转化为生物医学上的应用。本世纪初我就在研究miRNA,这种非编码小RNA了,并有一个实验室专门研究miRNA表达谱以及它们在癌组织中的相关作用。

  2007年的一次课题组会议上,我突发奇想,提出了尝试在血液中检测miRNA的想法。通过RT-PCR(逆转录聚合酶链反应)分析,我们在血清和血浆中都检测到了miRNA的表达。这个发现令我们格外激动。我们又在动物血清中重复了这一实验,也发现了miRNA。从那时起,细胞外RNA便成了我的一个研究重心,我很想探明它的生物学功能和可能的应用。

  《自然》杂志:发现miRNA可以在血清中稳定存在的重要性是什么?

  张辰宇:传统观点认为,RNA在细胞外环境中是不能稳定存在的,因为核糖核酸酶会降解RNA。因此,当我提出检验是否存在细胞外miRNA时,许多人都认为这个想法很疯狂。但我们挑战了传统观念,证明了RNA并不仅存在于细胞内。随后,其他研究也表明,miRNA在唾液、尿液、母乳等体液中以稳定、无细胞形式循环。这是一次科学范式的转换,推动了我们对这些生物分子跨界转移的研究。

  在血清中发现miRNA还有临床方面的意义。利用深度测序,我们对miRNA谱进行了表征,确定了血清miRNA在多种癌症以及糖尿病中的独特表达模式。这说明血清miRNA有潜力作为癌症等疾病检测的生物标志物,为开发疾病诊疗方法打开了一扇新的大门。

  除了在细胞内探索,张辰宇团队还在细胞外寻找miRNA,发掘其诊疗应用的潜力。来源:Studio Molekuul/SHUTTERSTOCK

  《自然》杂志:您如何解释miRNA可以在细胞外环境中稳定存在?

  张辰宇:我们相信,在细胞外环境中保护miRNA不被降解的关键机制,在于名为细胞外囊泡(EV)的微小脂粒,它们能运送RNA。这些纳米尺度的颗粒来自细胞,它们有一个膜结构,能为miRNA提供屏障,保护它们免遭无处不在的RNA降解酶的破坏。还有一种可能是,EV会驱动蛋白-miRNA复合物的形成,使miRNA能够稳定存在。

  是什么促使了miRNA的细胞外存在也有待探索。在我们看来,它们可能是EV在某种选择性过程中分泌的;或是由RNA结合蛋白中的供体细胞释放的;抑或来自因为组织受损或细胞凋亡而破碎或损伤的细胞。迄今为止,我们只是对细胞外miRNA存在的某些机理做出了解释,可能还存在其他机制。

  《自然》杂志:您团队目前的主要研究方向有哪些?

  张辰宇:我现在感兴趣的是exRNA的生物学功能和相关机制,比如它们在细胞间信号传递中的作用;前体miRNA(pre-miRNA)如何成熟;它又如何被吸收。我们尤其想要研究miRNA是如何在远缘、复杂的生物间转移的。利用深度测序,我们在研究人血液中的exRNA时发现了来自植物的miRNA。这些外源性miRNA中的一部分有着和内源性miRNA相似的血清浓度,这说明它们是完整的,不太可能是从消化系统漏出的。

  我们的研究表明,miRNA或能通过调节目标基因和影响生理条件的方式,促进不同物种间的串扰。研究miRNA的跨界调控和转移也有望增进我们对演化的认识,对物种间相互作用和相互依赖给出新的见解。

  《自然》杂志:您是如何解决关于食物miRNA的待解问题的?

  张辰宇:这是一个新兴的领域,其他研究团队的同行对此提出了很多疑问。而当我们在人血液中发现植物miRNA时,首当其冲的问题是这些miRNA是如何承受住胃酸和消化酶而在细胞外存在的。我们最近在哺乳动物胃中发现的特殊蛋白SIDT1,或能帮助解答这个困扰了科学家近十年的问题。SIDT1存在于胃粘膜顶细胞,我们发现它在食物miRNA的吸收中扮演了关键角色。由于这一吸收过程需要低pH的酸性环境,这让胃成为了食物miRNA吸收的主要发生地,这也提示了胃的一个新功能。我们还在探索其他吸收机制,以及为何需要一个酸性环境。

  《自然》杂志:您的研究成果有哪些潜在应用价值?

  张辰宇:我们对食物RNA和miRNA跨界转移的研究成果对相应治疗和药物递送技术的开发具有重要意义。举例来说,我们在金银花中发现了一种miRNA,可以直接靶向部分流感病毒,这或能为治疗病毒感染提供新策略。它也说明,植物miRNA可能是许多中草药的活性成分。不仅如此,我们还发现通过口服给药的方式,这种植物miRNA可减轻肝纤维化。关于SIDT1的这一发现为口服miRNA疗法的开发提供了启示。

  此外,基于我们早期对血清miRNA的研究结果,我们还开发了基于miRNA的诊断方法,包括胰腺癌早期诊断试剂盒。我期待我们的研究成果能得到更广泛地应用。

  《自然》杂志:您能分享一下您的下一步研究计划吗?

  张辰宇:我认为我们已经为exRNA的研究打好了基础。下一步,我将重点研究调控功能性RNA的细胞器,并研究exRNA功能背后的各种机制。应用方面,我们希望发现更多能用于基因治疗的miRNA,以及能将必要RNA递送至靶标器官的方法,和用于诊断的miRNA生物标志物。我们还计划探索miRNA在农业中的应用,包括开发生物源农药,利用miRNA对粮食作物进行基因改造,使其不易受病虫害等。总之,我希望我的研究能为科学界和整个社会带来影响。

  来源:南京大学

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