引 言
细胞通讯使得细胞能够接收到其它细胞发来的信号,并能够准确无误地发挥功能,这对于多细胞机体的发育、免疫适应,以及组织内不同细胞类型之间功能的协调十分重要.
细胞之间可以通过可溶性因子进行细胞通讯,粘附分子介导的细胞 - 细胞相互作用可以连接邻近的细胞,使得配体 - 受体介导表面分子的转运[1];隧道纳米管可以使得细胞表面分子及细胞质内的分子发生转运[2].最近研究表明,exosomes 在细胞间的信号转导中也发挥着重要作用.
1.Exosomes的主要特征
Exosomes有着特殊的结构和形态特征:为磷脂双分子层结构,外膜上含有磷脂酰丝氨酸,直径在30~100 nm之间,电镜下观察呈杯状,在蔗糖梯度中浮力密度在1.10~1.21 g/mL 之间[3].Exosomes 的蛋白质组学分析结果显示,不同类型的细胞和体液 (血液、牛乳汁和尿)中,exosomes 膜上或泡内含有相同的标记蛋白分子,这些分子来自细胞质、质膜及高尔基体和内质网的生物膜[3].典型的 exosomes 标记蛋白有:四跨膜蛋白超家族,如CD9、CD63 和 CD81;细胞质蛋白,如肌动蛋白 (actin)、钙磷脂结合蛋白 (annexins)、Rab蛋白;参与生物合成的分子,如凋亡连接基因2相互作用蛋白X(apoptosis-linked gene2-interacting protein X,ALIX) 、肿瘤易感基因101的蛋白质(tumor susceptibility gene101,TSG101)、热休克蛋白(heat shock proteins,HSPs) 70和90[3,4].Exosomes 还含有细胞类型特异的标记蛋白,这些蛋白分子由分泌exosomes的细胞所决定[3].Exosomes 能够包裹信使RNA (mRNAs)、小的非编码RNA (microRNAs)及线粒体DNA (mtDNA),并转运到其它细胞中发挥生物学作用[5,6].Exosomes所包裹的这些内容物也是细胞类型特异的[5] .
2. Exosomes 的生物合成和分泌
Exosomes在多种细胞内的多泡体(multivesicular bodies,MVBs)中形成.
首先,MVBs的膜内陷形成管腔内泡(intraluminal vesicles,ILVs),进而MVBs和质膜融合,释放到细胞外环境中的 ILVs 即为 exosomes[7].Exosomes上的蛋白分子可以体现它们的胞内起源,这些分子包括 ALIX、CD63 和 TSG101.Exosomes 膜有特殊的脂质组成,富含像胆固醇、神经酰胺和鞘脂的脂类,其中,神经酰胺参与了 ILVs 向 MVBs 中的出芽.因此,阻断参与神经酰胺合成的神经鞘磷脂酶 2 (neutral sphingomyelinase2,nSMase2) 会抑制exosomes 的合成[8].Exosomes包含的蛋白 RAB GTP 酶、钙磷脂结合蛋白、细胞骨架蛋白(如肌动蛋白)、粘附分子和四跨膜蛋白超家族(CD81、CD82、CD63)则参与膜的运输[9].
3. Exosomes分泌的最后一步
(MVBs和质膜的融合过程)有 SNARE (soluble NSF attachmentprotein receptor)蛋白的参与[10] .RAB蛋白,如 RAB11、RAB27 和 RAB35,也在 exosomes分泌过程中起作用[10].在哺乳动物中,ESCRT (endosomal sorting complex required fortransport complex)复合体决定着 MVBs 中 exosomes 包裹的内容物的种类[11],并且在控制exosomes 的组成方面起调节作用[12].Exosomes 既可以组成性地释放,在细胞激活或应激条件下分泌量也会增加[13].
过去五年的研究证明,exosomes 可以被多种细胞系和不同类型的细胞所分泌,包括免疫细胞(树突状细胞、T 细胞、B 细胞和巨噬细胞)、心血管细胞、肿瘤细胞、干细胞和神经细胞等.多种体液中,例如血液、尿液和腹水中,都有 exosomes 的存在[3].
4. Exosomes 的生物功能
在研究早期,exosomes 曾一度被认为是移除细胞碎片和细胞不需要的膜表面分子的细胞器.
直到1996年,研究发现exosomes参与抗原呈递过程,至此证明exosomes能够在免疫反应中发挥重要的作用.Exosomes可以由多种细胞类型(免疫细胞、神经细胞、干细胞)释放,因此,exosomes 也会参与多种生物过程,如抗原呈递、RNA 转运、组织修复.最早对exosomes 生物功能的研究主要包括抗原呈递和免疫激活与抑制[13].肥大细胞分泌的exosomes中包裹着mRNA和miRNA,且mRNA在转运到受体细胞后能够翻译成蛋白[5].这就提示我们exosomes 在细胞间相互作用中的新功能[5],即exosomes 在转运遗传物质方面的作用.
5. Exosomes 在生理过程中的作用
细胞分泌到胞外环境中的 exosomes 可以作用于其它细胞,导致受体细胞的生理过程发生改变.Exosomes和受体细胞作用的机制还不太清楚.
一些研究认为,exosomes和受体细胞质膜融合使得受体细胞获得exosomes上的蛋白分子,并释放内容物到受体细胞内行使其生物学功能[14].也有研究认为,exosomes 和受体细胞可以通过特异受体相结合[15],靶细胞也可通过胞吞作用将exosomes内化[16].
人胚肾细胞(HEK293)分泌的exosomes表面可以携带有活性的Wnt蛋白,激活靶细胞中的Wnt信号通路,从而在细胞分化和发育中起作用[17].另一研究表明,CD9 和 CD82 能够使HEK293T细胞通过释放包裹β-catenin的exosomes来降低细胞质中β-catenin蛋白的水平,从而一定程度上抑制细胞内经典的β-catenin/Wnt通路[18].这说明 exosome 携带的蛋白可以作为激活其它细胞的信号分子,同时,exosomes也可以作为细胞排出暂时不需要蛋白以降低对胞内信号激活的一种途径.内皮细胞释放的 exosomes 可以以自分泌的形式作用于自身和其它内皮细胞,促进内皮细胞的迁移及血管的生成和出芽,该研究认为 exosomes 中包含的 miR-214 分子在血管内皮细胞中抑制细胞周期阻滞和衰老,调节血管发生过程[19].
6. Exosomes 在病理过程中的作用
据报道,许多疾病的进程中都有 exosomes 的参与,这些疾病包括神经退行性疾病、心血管疾病和癌症等[20].其中,肿瘤源的微泡最初发现于卵巢癌病人体内[21].一方面,肿瘤细胞源的 exosomes 可以引发免疫应答,另一方面,也抑制免疫细胞功能的发挥.癌细胞源的exosomes 可以向树突状细胞呈递肿瘤抗原,进而引发免疫应答[22].与此相反,肿瘤源exosomes 通过诱导激活的细胞毒性 T 细胞的凋亡或促进调节性 T 淋巴细胞的分化而抑制免疫细胞的功能[23].还有一些研究认为肿瘤 exosomes 能够抑制抗肿瘤免疫应答,促进新血管生成,促进肿瘤细胞向其它细胞的迁移,从而有利于肿瘤生长,最终导致肿瘤转移[24].最近有研究表明,肿瘤相关巨噬细胞分泌的exosomes/ 微泡能够向乳腺癌细胞中转运 miRNA,促进乳腺癌细胞的侵袭[25].在癌症病人的血清中也发现有 exosomes 的存在,并且携带有肿瘤细胞表面分子[26].而且,exosomes 数目的增加和疾病的加剧有关.对卵巢癌和肺癌病人的研究发现,随着疾病的加剧,血清中 exosomes 的含量也随之增加[3,9].黑色素瘤三、四期病人的 exosomes 含量显著高于初期病人[27].这意味着肿瘤源的循环 exosomes 的含量可以作为病人临床分期、诊断和预后的指标.
激活的 T 细胞分泌的 exosomes 可以通过 Fas 信号通路促进黑色素瘤和肺癌细胞的转移[28].向猪和小鼠的缺血 / 再灌注损伤模型中注射胚胎干细胞向间充质干细胞分化过程中的exosomes,会使梗死面积缩小[29].
多能干细胞释放的exosomes携带的miR-133b 能够和脑实质细胞进行通讯,促进神经轴突生长[30].向原发性脑肿瘤中注射高表达 miR-146b 的骨髓间质细胞源的exosomes能够抑制神经胶质移植瘤的生长[31].另外有一个研究报道了微泡/exosomes在细胞间相互作用中的新作用:在动脉中有斑块形成会导致心肌梗塞称为动脉粥样硬化症,平滑肌细胞在其中起到重要作用,该研究表明内皮细胞和平滑肌细胞通过微泡/exosomes 能够进行信息交互.内皮细胞释放的富含 miR-143/145 的微泡转运到平滑肌细胞中,并在其中调节miRNAs 靶基因的表达 . 向动脉粥样硬化模型动物中注射包含miR-143/145 的微泡,结果降低了动脉粥样硬化的损伤[32].这就为包含 miRNA 或蛋白的exosomes作为治疗多种疾病的手段提供了研究基础.
7. 展 望
Exosomes有潜在的临床应用价值,它既可以作为生物指标也可以作为治疗手段.
在癌症病人血清中检测到了exosomes的存在,以及在胶质母细胞瘤和卵巢癌病人血清中的exosomes内鉴定到特定种类的mRNA/miRNA[14,21],这些都为 exosomes 在临床上的应用提供了可能.
由于从体液中可以很容易分离到exosomes,使得exosomes可以作为多种疾病的诊断指标.Exosomes在抗肿瘤和抗炎症等诸多疾病过程中的作用研究已有报道.在肺癌和黑色素瘤病人中进行的exosomes临床研究已经完成.向黑色素瘤病人中注射树突细胞源的exosomes会使肿瘤消退并保持长期稳定[3,9].
在乳腺癌治疗中也有应用改造后的 exosomes 携带抗肿瘤 miRNA 的报道[33].还有研究表明树突状细胞源的囊泡疫苗可以抑制多种肿瘤的生长[34].在阿尔茨海默症中首次发现树突细胞源的 exosomes 可以作为转运核酸物质的载体以达到治疗疾病的目的[35].炎症方面的研究发现,exosomes 可以介导颗粒物的炎症反应[36],富含抗炎分子姜黄素的 exosomes 可以在血液中稳定存在并起到抗炎症的效果[37].同时,这些研究也为 exosomes 作为一种携带药物的工具来治疗其它疾病提供了可能性.为了将exosomes 的研究结果应用到临床上,在体内对 exosomes 的转运机制和纯化方法进行研究显得十分迫切.与其它转运膜泡和载体相比,exosomes 作为药物载体有诸多优越性,如在血液中能够稳定存在,以及用病人自身的 exosomes 会有较低的免疫原性[38].组织特异性的exosomes 可以携带 miRNA、miRNA 的拮抗物和小的效应分子,因此,exosomes 不仅可以作为疾病的生物标记分子和细胞之间的"信息传递者",还可以作为承载治疗药物的载体.
参考文献:
1. Majka M, Janowska-Wieczorek A, Ratajczak J, EhrenmanK, Pietrzkowski Z, Kowalska MA, Gewirtz AM, EmersonSG, Ratajczak MZ. Numerous growth factors, cytokines,and chemokines are secreted by human CD34 (+) cells,myeloblasts, erythroblasts, and megakaryoblasts andregulate normal hematopoiesis in an autocrine/paracrinemanner. Blood, 2001, 97(10): 3075~3085。
2. Sherer NM, Mothes W. Cytonemes and tunnelingnanotubules in cell-cell communication and viralpathogenesis. Trends Cell Biol, 2008, 18(9): 414~420
3. Simpson RJ, Jensen SS, Lim JW. Proteomic profiling ofexosomes: Current perspectives. Proteomics, 2008, 8(19):4083~4099
4. Mathivanan S, Ji H, Simpson RJ. Exosomes: Extracellularorganelles important in intercellular communication. JProteomics, 2010, 73(10): 1907~1920
5. Valadi H, Ekstrom K, Bossios A, Sjostrand M, Lee JJ,Lotvall JO. Exosome-mediated transfer of mRNAs andmicroRNAs is a novel mechanism of genetic exchangebetween cells. Nat Cell Biol, 2007, 9(6): 654~659
6. Guescini M, Genedani S, Stocchi V, Agnati LF. Astrocytesand glioblastoma cells release exosomes carrying mtDNA.J Neural Transm, 2010, 117(1): 1~4
7. Fevrier B, Raposo G. Exosomes: Endosomal-derivedvesicles shipping extracellular messages. Curr Opin CellBiol, 2004, 16(4): 415~4218. Trajkovic K, Hsu C, Chiantia S, Rajendran L, Wenzel D,Wieland F, Schwille P, Brugger B, Simons M. Ceramide
