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大米的逆襲:微小RNA操縱了我們的身體嗎?

科學松鼠會_96
・2011/10/13 ・2993字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 530 ・七年級

[編按:從今日起,PanSci泛科學很榮幸能與科學傳播界的網路先驅科學松鼠會展開更多元的內容合作,本文為首篇發表於PanSci的松鼠原創文章,PanSci作者的原創文章也將出現在科學松鼠會的首頁上]

吃飯時,菜葉和果實被我們的牙齒大卸八塊,在腸胃裡粉身碎骨。這個過程釋放出的蛋白質、碳水化合物、脂類進入人體,順著血液發配各處,給身體添磚加瓦。但這可能不是故事的全部——南京大學生命科學學院的張辰宇教授發現,植物中還有一些小分子也會進入人體,可能反客為主,控制人體的基因活性,以更主動的方式影響身體。這些囂張的小分子就是微小核糖核酸(微小RNA,miRNA)。這項研究發表在《細胞研究》(Cell Research)。為了深入瞭解這項顛覆常識的研究,筆者採訪了張辰宇。

顧名思義,微小RNA個頭很小,只有19-24個核苷酸;它不是植物的專利,動物也有。不管植物還是動物,它們對細胞生長代謝非常重要。但學界一直認為,自產的微小RNA只供自己使用;從沒想過植物的也可能在人體內存活,甚至履行殺手職責。張辰宇尋思,為什麼不行?

那些頑強的微小RNA

為了試探一下猜想,張辰宇的團隊先找了一幫人,抽他們的血,在裡面尋找植物微小RNA的蹤影。結果發現,人的血液中竟然藏匿了至少40種植物特有的微小RNA!植物中本有上千種微小RNA,按照前人的認識,這些微小RNA應該經受不了消化道的歷練,但現在張辰宇的實驗證明,確有極少數能存活下來,這是一個驚人的發現!

為什麼這些少數微小RNA能存活下來,張辰宇說他也不知道。不過他發現,在存活下來的40多種微小RNA當中,兩種編號為MIR156a和MIR168a的尤為頑強,濃度竟和人體內本身的微小RNA濃度在同一量級。再一查,這兩種微小RNA可是有頭有臉,它們在大米和大白菜中最為豐富(生米中最多,米飯煮熟大約還能剩下近4成)。除了稻米,在小麥中MIR156a也含量不菲,而和前人的研究結果不同的是,MIR156a在張辰宇團隊的檢測中卻不見蹤跡。

好,既已在人體內發現源自植物的微小RNA,那它們是否確實來自飲食?在動物體內又能起到什麼效果呢?張辰宇團隊拿大米裡含量很多的MIR168a開刀分析。

[水稻(Oryza sativa)微小RNA MIR168a 的二級結構。圖片來源]

老鼠愛大米……實驗就拿小鼠做。

微小RNA跨物種「謀殺」

通過給小鼠餵食生大米,科學家發現它們的血液和肝臟中,MIR168a的濃度確實因為飲食中MIR168a的增加而增加了。增加後會產生什麼其他的影響呢?

要預測植物微小RNA的增加能造成什麼樣的生理結果,得先明白微小RNA是如何工作的。在細胞裡,DNA像寫滿遺傳信息的藍圖,在適當的時候被「複印」成信使RNA(mRNA),再去指導蛋白質的合成。而微小RNA就像殺手,非常有目標地找到自己要謀殺的信使RNA,讓它們沒法繼續變出蛋白質。當然,微小RNA找目標不看照片,而是看信使RNA和它的匹配度,要是信使RNA上某些片段它們恰好能結合上去,這些信使RNA就被視為該死的目標。那麼來自植物的MIR168a在動物體內的謀殺目標是誰呢?

經過序列比對,科學家們推測,它在動物體內確實有一個信使RNA目標,這個信使RNA指導合成「綁架」低密度脂蛋白的蛋白,這個綁架者主要分佈在肝臟。也就是說,MIR168a這個微小RNA專門對付綁架者,MIR168a若是升高了,肝臟裡綁架者就少了,低密度脂蛋白不受綁架,在血液裡的濃度就會慢慢積累變高。

果然,他們發現,吃了大米以後,小鼠體內MIR168a很快升高,3天後,血液中低密度脂蛋白膽固醇也變多了。這一切都驗證了張辰宇的猜想,同時讓科學界難以置信:來自植物的微小RNA竟然是一個超級殺手,可以跨物種執行謀殺任務!

一方水土養一方人

可是,如果植物這麼厲害,吃下去還能調節我們的基因,那我們是不是該對它們敬而遠之?張辰宇認為這種擔心毫無必要:「不用怕,這種現象要在人體內成立,還需進一步證明。而且,即使這種調節途徑是存在的,我們在億萬年演化中也一直被調節著,身體早就達到了平衡。」

不過,他指出,他的這項研究或許為中國老話「一方水土養一方人」找到了科學註腳,因為,如果小鼠實驗裡得到的結果真的能推演到人類,或許就能解釋為什麼東方人和西方人相比,雖然不那麼胖,也會得糖尿病——因為東方人以大米為主食,西方人的飲食則以麵包為主,「因此吃米和吃麵可能是不一樣的」,張辰宇說。當然,飲食能影響人體的因素很多,微小RNA的調節只是一種猜測。(關於東方人和西方人的差異,大家可以各抒己見。)

歸根結底,目前生物體的實驗還處在小鼠的階段,將小鼠的結論直接推廣到人還有些大膽。而且最重要的是,微小RNA的跨「界」調節到底是通過什麼機制發生的呢?只有明確發生機制,才能更好地解釋現象,更好地指導未來的應用。這是擺在張辰宇面前的一道難題。

機制研究尚待更精彩實驗

根據以前的研究,張辰宇知道血液中的小囊泡可以把微小RNA裝載起來,運送到身體其他部分,於是他猜測,小腸絨毛也可能把游離在附近的來自植物的微小RNA吞進來,包裹進小囊泡,再吐到血管裡。隨後,囊泡順流而下,若是行至肝臟,這些囊泡可能被肝細胞吸收,微小RNA被釋放,於是結合它的目標信使RNA,讓低密度脂蛋白的綁架者減少,造成血液裡的壞膽固醇升高。 這個過程聽起來像破案故事一樣激動人心!然而要想證明卻非易事——想想,怎麼才可能親眼看到這個過程呢?到現在,科學家們也還沒能在完整的生物體裡證實這個猜想,只能說向這個方向做出了努力。

張辰宇團隊使用人體細胞模擬了上述場景。他們首先把大量合成的MIR168a微小RNA「餵」給體外培養的(也就是在平皿裡培養的)人上皮細胞(小腸絨毛就是一種上皮細胞)。接著收集這些上皮細胞分泌的小囊泡。再轉移給在另一個平皿裡培養的肝臟細胞。然後他們發現, MIR168a所要謀殺的綁架者在肝臟細胞裡的量果然減少了。

這樣的細胞實驗確實證明了張辰宇的猜想的機制是可行的,然而它畢竟是在相互分隔的兩種培養細胞之間做的,而不是在生物體的層面,所以這套機制只是被初步驗證,遠非確鑿。想要確鑿地說清植物微小RNA對人體的作用機制,還有待更精彩的實驗。 由於張辰宇的研究顛覆常識,而且在幾十種存活於人體的植物微小RNA中,只發現MIR168a這一種會對動物產生作用,因此有人認為他的結果或許是巧合。來自捷克科學院分子遺傳學研究所(Institute of Molecular Genetics in the Czech Republic )的Petr Svoboda認為,在張辰宇的實驗中,植物的微小RNA在人體內檢測到的量很少,這個濃度的微小RNA是否真的能對人體產生影響值得懷疑。

張辰宇對此進行反駁,他認為「含量少是要看和什麼對比」,MIR168a的濃度雖然占人體微小RNA的總量少,但它和人體自身的一些微小RNA濃度相當,足以發揮功能。

不管怎麼說,植物裡能對動物起作用的因素有很多。這項研究僅僅說明,植物或許還存在這樣一種途徑,來對動物的身體進行調節。可以相信的是,在演化的尺度上,雖然動物同植物共同走過的歲月短得無足掛齒,在分類學上,雖然它們確實被歸納在遙遠的兩端,但動物和植物一直在用各種方式共同影響、彼此滲透,甚至傳遞信息。我們正絞盡腦汁,試圖參透這段距離間千絲萬縷的聯繫。

本文為修改版,已發表於果殼網 健康朝九晚五主題站 《大米的逆襲:植物操縱了我們的身體嗎?》。感謝網友Boston和[S]Kaelthas對文章的指正。老貓 對此文亦有貢獻。

本文引用自科學松鼠會[2011-10-07]

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科學松鼠會_96
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科學松鼠會是中國一個致力於在大眾文化層面傳播科學的非營利機構,成立於2008年4月。松鼠會匯聚了當代最優秀的一批華語青年科學傳播者,旨在「剝開科學的堅果,幫助人們領略科學之美妙」。願景:讓科學流行起來;價值觀:嚴謹有容,獨立客觀


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》