外泌体多组学01-外泌体初识

这是2020年发表在Science上的一篇综述

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文章信息

标题：The biology, function, and biomedical applications of exosomes
Doi：http://dx.doi.org/10.1126/science.aau6977
杂志：Science, 7 Feb 2020

其中的一幅图比较频繁的出现在各大会议的PPT中：

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一、外泌体的来源

外泌体的产生过程涉及质膜内陷和包含腔内囊泡( intraluminal vesicles ，ILVs)的细胞内多囊泡体(intracellular multivesicular bodies，MVBs)的形成。通过MVB与质膜融合和胞吐作用，ILVs最终分泌为外泌体，直径为~40-160nm( 类比大小：一个细胞体积约等于10^6个外泌体)：

• 1.质膜的第一次内陷形成了一个杯状结构，包括细胞表面蛋白和与细胞外环境相关的可溶性蛋白
• 2.这导致了早期分选内涵体( early-sorting endosome，ESE)的从头形成，在某些情况下可能直接与已存在的ESE合并
• 3.反式高尔基网络和内质网也有助于ESE的形成和含量
• 4.ESEs可以成熟为晚期分选内涵体( late-sorting endosome，LSEs)，最终产生MVBs，也称为多囊泡内体(multivesicular endosomes)
• 5.MVBs通过内吞体限制膜的向内内陷形成（即质膜的双内陷）
• 6.这一过程导致MVBs包含几个ILVs（未来的外泌体）
• 7.MVB既可以与溶酶体或自噬体融合，然后被降解，也可以与质膜融合，释放出所包含的ILV作为外泌体

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参与外泌体的起源和生物发生过程的蛋白有：

• The Ras-related protein GTPase Rab
• Sytenin-1
• TSG101 (tumor susceptibility gene 101)
• ALIX (apoptosis-linked gene 2-interacting protein X)
• syndecan-1
• ESCRT (endosomal sorting complexes required for transport) proteins,
• phospholipids
• tetraspanins
• ceramides
• sphingomyelinases
• SNARE [soluble Nethylmaleimide–sensitive factor (NSF) attachment protein receptor] complex proteins

此外，外泌体生物发生途径与其他与细胞内囊泡运输相关的其他分子途径的交叉混淆了功能研究的解释：

• 具体来说，涉及Rab和ESCRT蛋白的功能丧失或获得实验可能会干扰细胞内其他不同的囊泡活动，如自噬和溶酶体途径，以及高尔基体来源的囊泡运输，这可能对外泌体生物发生产生间接影响。
• 不同的细胞类型、培养条件和细胞的基因组健康也可能有利于或免除一些假定的体内外泌体生物发生的关键调控因子
• 识别与外泌体生物发生相关的调控元件的潜在不一致也可能来自于外泌体生产、富集和浓缩的不同方法

外泌体产生的速率：计算外泌体产生的速率受到与任何给定细胞类型的从头产生和外部外泌体摄取相关的动态过程的挑战

二、外泌体的异质性

外泌体具有以下异质性特征：所有这些特征的结合将有可能导致外泌体的更高层次的复杂性和异质性

• 大小异质性：大小异质性会导致不同数量的外泌体含量
• 包含物异质性：
  • 细胞的微环境和固有的生物学特性可能会影响外泌体及其生物标记物的含量，外泌体可以包含膜蛋白、胞质蛋白和核蛋白、细胞外基质蛋白、代谢物和核酸(mRNA、非编码RNA和DNA)
  • 与它们来源的细胞相比，不同的蛋白质和核酸在外泌体中富集，表明了一种与外泌体生物发生和/或内容负载相关的特定蛋白质分类机制
• 功能异质性：外泌体对受体细胞的影响可能不同，这种功能异质性可导致一组外泌体诱导细胞存活，另一组诱导细胞凋亡，不同组诱导免疫调节等
• 来源异质性：异质性也可以基于外泌体起源的器官和组织，包括它们是否来自癌细胞，赋予它们独特的特性，如对某些器官的向性和被特定细胞类型的摄取

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三、外泌体功能

围绕外泌体功能的问题主要集中在理解其成分的命运，以及它们在细胞培养系统中在受体细胞上诱导的表型和分子改变

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3.1 细胞间通讯

外泌体摄取和分泌途径可能会交叉，随着时间的推移，任何由内源性和循环外泌体组成的细胞都会导致外泌体混合群体的净产生。

与外泌体摄取相关的独特机制和途径，以及外泌体对某些细胞类型的公认特异性，增加了外泌体在细胞间通信中的功能的复杂性，例子：

• KRAS突变表达诱导的致癌信号促进人胰腺癌细胞通过胞饮作用摄取外泌体
• 人黑色素瘤细胞通过与质膜的融合摄取外泌体货物
• 神经分泌的PC12细胞（来自大鼠肾上腺髓质瘤）更容易依赖于网格蛋白依赖性的内吞作用来摄取

为了追踪生理条件下外泌体的细胞间交换，我们探索了在小鼠体内涉及各种遗传策略的体内实验：

• 这些研究表明，外泌体可以在极少数情况下将mRNA传递到受体细胞
• 在急性炎症（腹膜炎）或慢性炎症（皮下肿瘤）小鼠模型中，免疫细胞的激活和扩张增强了这种罕见的事件

化疗等治疗干预也可能影响肿瘤的外泌体摄取和随后的生物学反应：

• 抑制质子泵或改变黑色素瘤细胞中的细胞pH会限制外泌体的摄取

蛋白质被分类为外泌体，可以选择性地诱导受体细胞中的特定信号，以调节发育、免疫反应和疾病的过程。

3.2 哺乳动物的繁殖和发育

人类的生殖、怀孕和胚胎发育需要精确、微调和动态的细胞间通信。精液、羊水、血液和母乳都含有具有公认功能的外泌体

• 精浆外泌体与精子成熟有关
• 在孕妇的血浆中，外泌体miRNA和蛋白质含量随胎龄和与早产儿相比而变化
• 母乳来源的外泌体含有具有免疫相关功能的miRNAs，并增加外周血来源的t调节细胞的数量，可能调节免疫耐受

3.3 免疫反应和感染

外泌体在免疫反应中的作用已被广泛证明。最近的工程外泌体实验表明，外泌体在诱导适应性和先天免疫反应方面具有一定的作用，支持了它们在治疗开发中的效用，并在协调免疫反应应对感染因子或癌症方面发挥了潜在作用。

来自抗原提呈细胞(APCs)的外泌体携带p-MHC-II具有抗原肽的主要组织相容性复合体II(p)]和共刺激信号，并直接将肽抗原呈递给特定的T细胞以诱导其激活。

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3.4 代谢性疾病和心血管疾病

外泌体可能在代谢性疾病的出现和心血管健康中发挥作用。研究发现，它们可以转移代谢物，并通过胰腺b细胞、脂肪组织、骨骼肌和小鼠和人类肝脏之间的外泌体miRNA交换来转移代谢物，从而促进细胞间的通信。

• 小鼠和人类癌细胞来源的外泌体，富含热休克蛋白(HSP70和HSP90)，在功能上也与小鼠的肌肉萎缩有关
• 肾上腺髓质素是一种诱导脂解的肽激素，在人胰腺癌细胞产生的外泌体中发现，诱导小鼠和人脂肪细胞的脂解，抑制大鼠和人胰岛细胞的胰岛素分泌

这些发现支持了癌细胞来源的外泌体可以改变非癌细胞的代谢，包括脂肪细胞和胰岛细胞，从而在功能上促进恶病质和副肿瘤综合征的发展

3.5 神经退行性变

外泌体生物发生和神经元细胞分泌囊泡调节之间的交集为外泌体和神经退行性疾病发病机制之间的假定联系提供了新的见解。外泌体可参与错误折叠蛋白的清除，从而发挥解毒和神经保护功能，或参与错误折叠蛋白的繁殖和聚集，有效促进蛋白质聚集物的“感染性”，促进疾病进展。

3.6 癌症

与外泌体在其他疾病中的作用相比，癌症外泌体的研究进展迅速，外泌体与癌症的几个显著特征相关。外泌体影响肿瘤形成、生长和转移、副肿瘤综合征(paraneoplastic syndromes)和治疗耐药性。外泌体在癌症进展中的作用可能是动态的，特定于癌症类型、遗传和阶段。

在大多数研究中，癌细胞来源的外泌体的基质细胞受体是癌相关成纤维细胞(CAFs)和免疫细胞，它们在肿瘤微环境中相互动态调节。

在多种癌症类型中，已经报道了来自癌细胞的外泌体在转移部位引起实质信号应答(parenchymal signaling response)，有效地重塑远处微环境以增强转移, 例如:

• 在癌细胞来源的外泌体表面表达的TGFb通过获得aSMA和FGF2的表达来诱导成纤维细胞激活
• 在黑色素瘤和胰腺癌中，通过癌细胞来源的外泌体将骨髓祖细胞和巨噬细胞招募到转移部位，参与转移
• 小鼠和人类非转移性黑色素瘤细胞外泌体表面的PEDF通过NR4A1诱导诱导巡逻单核细胞的扩增，从而抑制小鼠肺的转移

从基质到癌细胞的外泌体交换也可以调节癌症的进展和转移：

• 星形胶质细胞来源的miR-19a传递到乳腺癌细胞，这导致PTEN（磷酸酶和紧张素同源物）的抑制，并促进转移
• 成纤维细胞来源的外泌体也通过诱导Wnt-PCP（平面细胞极性）自分泌信号来刺激乳腺癌细胞的迁移

外泌体也参与了肿瘤微环境的血管生成和细胞外基质重塑，这是肿瘤生长和转移扩散的关键步骤

癌细胞脱落的外泌体可促进对各种化疗药物和抗体的耐药性

3.7 外泌体的临床应用

外泌体在向病变细胞传递功能性物质方面的特性有利于它们在基础水平和应用水平上作为治疗载体

外泌体的诊断潜力

外泌体存在于所有生物液体中，并由所有细胞分泌，使它们作为微创液体活检具有吸引力，并有可能通过纵向取样来跟踪疾病进展。

外泌体的治疗潜力

外泌体自身或作为药物有效载荷的载体正在积极探索作为治疗药物。与脂质体相比，注射的外泌体可以有效地进入其他细胞，并在外源性给予小鼠时以最小的免疫清除传递功能性货物。

此外，外泌体的治疗应用是有希望的，因为它们已被证明具有良好的耐受性。

四、总结

• 外泌体是否能生长和分裂，以及在适当的环境下，参与信号传导事件和自主的生化反应，仍有待确定
• 外泌体和逆转录病毒之间为何如此相似？
• 主要是利用细胞培养系统来阐明有趣的外泌体生物学，需要各种模型和生理学相关的实验条件来进行实验