引 言
細胞通訊使得細胞能夠接收到其它細胞發來的信號,并能夠準確無誤地發揮功能,這對于多細胞機體的發育、免疫適應,以及組織內不同細胞類型之間功能的協調十分重要.
細胞之間可以通過可溶性因子進行細胞通訊,粘附分子介導的細胞 - 細胞相互作用可以連接鄰近的細胞,使得配體 - 受體介導表面分子的轉運[1];隧道納米管可以使得細胞表面分子及細胞質內的分子發生轉運[2].最近研究表明,exosomes 在細胞間的信號轉導中也發揮著重要作用.
1.Exosomes的主要特征
Exosomes有著特殊的結構和形態特征:為磷脂雙分子層結構,外膜上含有磷脂酰絲氨酸,直徑在30~100 nm之間,電鏡下觀察呈杯狀,在蔗糖梯度中浮力密度在1.10~1.21 g/mL 之間[3].Exosomes 的蛋白質組學分析結果顯示,不同類型的細胞和體液 \\(血液、牛乳汁和尿\\)中,exosomes 膜上或泡內含有相同的標記蛋白分子,這些分子來自細胞質、質膜及高爾基體和內質網的生物膜[3].典型的 exosomes 標記蛋白有:四跨膜蛋白超家族,如CD9、CD63 和 CD81;細胞質蛋白,如肌動蛋白 \\(actin\\)、鈣磷脂結合蛋白 \\(annexins\\)、Rab蛋白;參與生物合成的分子,如凋亡連接基因2相互作用蛋白X\\(apoptosis-linked gene2-interacting protein X,ALIX\\) 、腫瘤易感基因101的蛋白質\\(tumor susceptibility gene101,TSG101\\)、熱休克蛋白\\(heat shock proteins,HSPs\\) 70和90[3,4].Exosomes 還含有細胞類型特異的標記蛋白,這些蛋白分子由分泌exosomes的細胞所決定[3].Exosomes 能夠包裹信使RNA \\(mRNAs\\)、小的非編碼RNA \\(microRNAs\\)及線粒體DNA \\(mtDNA\\),并轉運到其它細胞中發揮生物學作用[5,6].Exosomes所包裹的這些內容物也是細胞類型特異的[5].
2.Exosomes 的生物合成和分泌
Exosomes在多種細胞內的多泡體\\(multivesicular bodies,MVBs\\)中形成.
首先,MVBs的膜內陷形成管腔內泡\\(intraluminal vesicles,ILVs\\),進而MVBs和質膜融合,釋放到細胞外環境中的 ILVs 即為 exosomes[7].Exosomes上的蛋白分子可以體現它們的胞內起源,這些分子包括 ALIX、CD63 和 TSG101.Exosomes 膜有特殊的脂質組成,富含像膽固醇、神經酰胺和鞘脂的脂類,其中,神經酰胺參與了 ILVs 向 MVBs 中的出芽.因此,阻斷參與神經酰胺合成的神經鞘磷脂酶 2 \\(neutral sphingomyelinase2,nSMase2\\) 會抑制exosomes 的合成[8].Exosomes包含的蛋白 RAB GTP 酶、鈣磷脂結合蛋白、細胞骨架蛋白\\(如肌動蛋白\\)、粘附分子和四跨膜蛋白超家族\\(CD81、CD82、CD63\\)則參與膜的運輸[9].
3.Exosomes分泌的最后一步
\\(MVBs和質膜的融合過程\\)有 SNARE \\(soluble NSF attachmentprotein receptor\\)蛋白的參與[10].RAB蛋白,如 RAB11、RAB27 和 RAB35,也在 exosomes分泌過程中起作用[10].在哺乳動物中,ESCRT \\(endosomal sorting complex required fortransport complex\\)復合體決定著 MVBs 中 exosomes 包裹的內容物的種類[11],并且在控制exosomes 的組成方面起調節作用[12].Exosomes 既可以組成性地釋放,在細胞激活或應激條件下分泌量也會增加[13].
過去五年的研究證明,exosomes 可以被多種細胞系和不同類型的細胞所分泌,包括免疫細胞\\(樹突狀細胞、T 細胞、B 細胞和巨噬細胞\\)、心血管細胞、腫瘤細胞、干細胞和神經細胞等.多種體液中,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 曾一度被認為是移除細胞碎片和細胞不需要的膜表面分子的細胞器.
直到1996年,研究發現exosomes參與抗原呈遞過程,至此證明exosomes能夠在免疫反應中發揮重要的作用.Exosomes可以由多種細胞類型\\(免疫細胞、神經細胞、干細胞\\)釋放,因此,exosomes 也會參與多種生物過程,如抗原呈遞、RNA 轉運、組織修復.最早對exosomes 生物功能的研究主要包括抗原呈遞和免疫激活與抑制[13].肥大細胞分泌的exosomes中包裹著mRNA和miRNA,且mRNA在轉運到受體細胞后能夠翻譯成蛋白[5].這就提示我們exosomes 在細胞間相互作用中的新功能[5],即exosomes 在轉運遺傳物質方面的作用.
5. Exosomes 在生理過程中的作用
細胞分泌到胞外環境中的 exosomes 可以作用于其它細胞,導致受體細胞的生理過程發生改變.Exosomes和受體細胞作用的機制還不太清楚.
一些研究認為,exosomes和受體細胞質膜融合使得受體細胞獲得exosomes上的蛋白分子,并釋放內容物到受體細胞內行使其生物學功能[14].也有研究認為,exosomes 和受體細胞可以通過特異受體相結合[15],靶細胞也可通過胞吞作用將exosomes內化[16].
人胚腎細胞\\(HEK293\\)分泌的exosomes表面可以攜帶有活性的Wnt蛋白,激活靶細胞中的Wnt信號通路,從而在細胞分化和發育中起作用[17].另一研究表明,CD9 和 CD82 能夠使HEK293T細胞通過釋放包裹β-catenin的exosomes來降低細胞質中β-catenin蛋白的水平,從而一定程度上抑制細胞內經典的β-catenin/Wnt通路[18].這說明 exosome 攜帶的蛋白可以作為激活其它細胞的信號分子,同時,exosomes也可以作為細胞排出暫時不需要蛋白以降低對胞內信號激活的一種途徑.內皮細胞釋放的 exosomes 可以以自分泌的形式作用于自身和其它內皮細胞,促進內皮細胞的遷移及血管的生成和出芽,該研究認為 exosomes 中包含的 miR-214 分子在血管內皮細胞中抑制細胞周期阻滯和衰老,調節血管發生過程[19].
6.Exosomes 在病理過程中的作用
據報道,許多疾病的進程中都有 exosomes 的參與,這些疾病包括神經退行性疾病、心血管疾病和癌癥等[20].其中,腫瘤源的微泡最初發現于卵巢癌病人體內[21].一方面,腫瘤細胞源的 exosomes 可以引發免疫應答,另一方面,也抑制免疫細胞功能的發揮.癌細胞源的exosomes 可以向樹突狀細胞呈遞腫瘤抗原,進而引發免疫應答[22].與此相反,腫瘤源exosomes 通過誘導激活的細胞毒性 T 細胞的凋亡或促進調節性 T 淋巴細胞的分化而抑制免疫細胞的功能[23].還有一些研究認為腫瘤 exosomes 能夠抑制抗腫瘤免疫應答,促進新血管生成,促進腫瘤細胞向其它細胞的遷移,從而有利于腫瘤生長,最終導致腫瘤轉移[24].最近有研究表明,腫瘤相關巨噬細胞分泌的exosomes/ 微泡能夠向乳腺癌細胞中轉運 miRNA,促進乳腺癌細胞的侵襲[25].在癌癥病人的血清中也發現有 exosomes 的存在,并且攜帶有腫瘤細胞表面分子[26].而且,exosomes 數目的增加和疾病的加劇有關.對卵巢癌和肺癌病人的研究發現,隨著疾病的加劇,血清中 exosomes 的含量也隨之增加[3,9].黑色素瘤三、四期病人的 exosomes 含量顯著高于初期病人[27].這意味著腫瘤源的循環 exosomes 的含量可以作為病人臨床分期、診斷和預后的指標.
激活的 T 細胞分泌的 exosomes 可以通過 Fas 信號通路促進黑色素瘤和肺癌細胞的轉移[28].向豬和小鼠的缺血 / 再灌注損傷模型中注射胚胎干細胞向間充質干細胞分化過程中的exosomes,會使梗死面積縮小[29].
多能干細胞釋放的exosomes攜帶的miR-133b 能夠和腦實質細胞進行通訊,促進神經軸突生長[30].向原發性腦腫瘤中注射高表達 miR-146b 的骨髓間質細胞源的exosomes能夠抑制神經膠質移植瘤的生長[31].另外有一個研究報道了微泡/exosomes在細胞間相互作用中的新作用:在動脈中有斑塊形成會導致心肌梗塞稱為動脈粥樣硬化癥,平滑肌細胞在其中起到重要作用,該研究表明內皮細胞和平滑肌細胞通過微泡/exosomes 能夠進行信息交互.內皮細胞釋放的富含 miR-143/145 的微泡轉運到平滑肌細胞中,并在其中調節miRNAs 靶基因的表達 . 向動脈粥樣硬化模型動物中注射包含miR-143/145 的微泡,結果降低了動脈粥樣硬化的損傷[32].這就為包含 miRNA 或蛋白的exosomes作為治療多種疾病的手段提供了研究基礎.
7.展 望
Exosomes有潛在的臨床應用價值,它既可以作為生物指標也可以作為治療手段.
在癌癥病人血清中檢測到了exosomes的存在,以及在膠質母細胞瘤和卵巢癌病人血清中的exosomes內鑒定到特定種類的mRNA/miRNA[14,21],這些都為 exosomes 在臨床上的應用提供了可能.
由于從體液中可以很容易分離到exosomes,使得exosomes可以作為多種疾病的診斷指標.Exosomes在抗腫瘤和抗炎癥等諸多疾病過程中的作用研究已有報道.在肺癌和黑色素瘤病人中進行的exosomes臨床研究已經完成.向黑色素瘤病人中注射樹突細胞源的exosomes會使腫瘤消退并保持長期穩定[3,9].
在乳腺癌治療中也有應用改造后的 exosomes 攜帶抗腫瘤 miRNA 的報道[33].還有研究表明樹突狀細胞源的囊泡疫苗可以抑制多種腫瘤的生長[34].在阿爾茨海默癥中首次發現樹突細胞源的 exosomes 可以作為轉運核酸物質的載體以達到治療疾病的目的[35].炎癥方面的研究發現,exosomes 可以介導顆粒物的炎癥反應[36],富含抗炎分子姜黃素的 exosomes 可以在血液中穩定存在并起到抗炎癥的效果[37].同時,這些研究也為 exosomes 作為一種攜帶藥物的工具來治療其它疾病提供了可能性.為了將exosomes 的研究結果應用到臨床上,在體內對 exosomes 的轉運機制和純化方法進行研究顯得十分迫切.與其它轉運膜泡和載體相比,exosomes 作為藥物載體有諸多優越性,如在血液中能夠穩定存在,以及用病人自身的 exosomes 會有較低的免疫原性[38].組織特異性的exosomes 可以攜帶 miRNA、miRNA 的拮抗物和小的效應分子,因此,exosomes 不僅可以作為疾病的生物標記分子和細胞之間的"信息傳遞者",還可以作為承載治療藥物的載體.
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