這是2020年發(fā)表在Science上的一篇綜述
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標(biāo)題：The biology, function, and biomedical applications of exosomes
Doi：http://dx.doi.org/10.1126/science.aau6977
雜志：Science, 7 Feb 2020
其中的一幅圖比較頻繁的出現(xiàn)在各大會(huì)議的PPT中：
一、外泌體的來源
外泌體的產(chǎn)生過程涉及質(zhì)膜內(nèi)陷和包含腔內(nèi)囊泡( intraluminal vesicles ，ILVs)的細(xì)胞內(nèi)多囊泡體(intracellular multivesicular bodies，MVBs)的形成。通過MVB與質(zhì)膜融合和胞吐作用，ILVs最終分泌為外泌體，直徑為~40-160nm( 類比大?。阂粋€(gè)細(xì)胞體積約等于10^6個(gè)外泌體)：
- 1.質(zhì)膜的第一次內(nèi)陷形成了一個(gè)杯狀結(jié)構(gòu)，包括細(xì)胞表面蛋白和與細(xì)胞外環(huán)境相關(guān)的可溶性蛋白
- 2.這導(dǎo)致了早期分選內(nèi)涵體( early-sorting endosome，ESE)的從頭形成，在某些情況下可能直接與已存在的ESE合并
- 3.反式高爾基網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)也有助于ESE的形成和含量
- 4.ESEs可以成熟為晚期分選內(nèi)涵體( late-sorting endosome，LSEs)，最終產(chǎn)生MVBs，也稱為多囊泡內(nèi)體(multivesicular endosomes)
- 5.MVBs通過內(nèi)吞體限制膜的向內(nèi)內(nèi)陷形成（即質(zhì)膜的雙內(nèi)陷）
- 6.這一過程導(dǎo)致MVBs包含幾個(gè)ILVs（未來的外泌體）
- 7.MVB既可以與溶酶體或自噬體融合，然后被降解，也可以與質(zhì)膜融合，釋放出所包含的ILV作為外泌體
參與外泌體的起源和生物發(fā)生過程的蛋白有：
- 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，外泌體生物發(fā)生途徑與其他與細(xì)胞內(nèi)囊泡運(yùn)輸相關(guān)的其他分子途徑的交叉混淆了功能研究的解釋：
- 具體來說，涉及Rab和ESCRT蛋白的功能喪失或獲得實(shí)驗(yàn)可能會(huì)干擾細(xì)胞內(nèi)其他不同的囊泡活動(dòng)，如自噬和溶酶體途徑，以及高爾基體來源的囊泡運(yùn)輸，這可能對(duì)外泌體生物發(fā)生產(chǎn)生間接影響。
- 不同的細(xì)胞類型、培養(yǎng)條件和細(xì)胞的基因組健康也可能有利于或免除一些假定的體內(nèi)外泌體生物發(fā)生的關(guān)鍵調(diào)控因子
- 識(shí)別與外泌體生物發(fā)生相關(guān)的調(diào)控元件的潛在不一致也可能來自于外泌體生產(chǎn)、富集和濃縮的不同方法
外泌體產(chǎn)生的速率：計(jì)算外泌體產(chǎn)生的速率受到與任何給定細(xì)胞類型的從頭產(chǎn)生和外部外泌體攝取相關(guān)的動(dòng)態(tài)過程的挑戰(zhàn)
二、外泌體的異質(zhì)性
外泌體具有以下異質(zhì)性特征：所有這些特征的結(jié)合將有可能導(dǎo)致外泌體的更高層次的復(fù)雜性和異質(zhì)性
- 大小異質(zhì)性：大小異質(zhì)性會(huì)導(dǎo)致不同數(shù)量的外泌體含量
-
包含物異質(zhì)性：
- 細(xì)胞的微環(huán)境和固有的生物學(xué)特性可能會(huì)影響外泌體及其生物標(biāo)記物的含量，外泌體可以包含膜蛋白、胞質(zhì)蛋白和核蛋白、細(xì)胞外基質(zhì)蛋白、代謝物和核酸(mRNA、非編碼RNA和DNA)
- 與它們來源的細(xì)胞相比，不同的蛋白質(zhì)和核酸在外泌體中富集，表明了一種與外泌體生物發(fā)生和/或內(nèi)容負(fù)載相關(guān)的特定蛋白質(zhì)分類機(jī)制
- 功能異質(zhì)性：外泌體對(duì)受體細(xì)胞的影響可能不同，這種功能異質(zhì)性可導(dǎo)致一組外泌體誘導(dǎo)細(xì)胞存活，另一組誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，不同組誘導(dǎo)免疫調(diào)節(jié)等
- 來源異質(zhì)性：異質(zhì)性也可以基于外泌體起源的器官和組織，包括它們是否來自癌細(xì)胞，賦予它們獨(dú)特的特性，如對(duì)某些器官的向性和被特定細(xì)胞類型的攝取
三、外泌體功能
圍繞外泌體功能的問題主要集中在理解其成分的命運(yùn)，以及它們?cè)诩?xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)中在受體細(xì)胞上誘導(dǎo)的表型和分子改變
3.1 細(xì)胞間通訊
外泌體攝取和分泌途徑可能會(huì)交叉，隨著時(shí)間的推移，任何由內(nèi)源性和循環(huán)外泌體組成的細(xì)胞都會(huì)導(dǎo)致外泌體混合群體的凈產(chǎn)生。
與外泌體攝取相關(guān)的獨(dú)特機(jī)制和途徑，以及外泌體對(duì)某些細(xì)胞類型的公認(rèn)特異性，增加了外泌體在細(xì)胞間通信中的功能的復(fù)雜性，例子：
- KRAS突變表達(dá)誘導(dǎo)的致癌信號(hào)促進(jìn)人胰腺癌細(xì)胞通過胞飲作用攝取外泌體
- 人黑色素瘤細(xì)胞通過與質(zhì)膜的融合攝取外泌體貨物
- 神經(jīng)分泌的PC12細(xì)胞（來自大鼠腎上腺髓質(zhì)瘤）更容易依賴于網(wǎng)格蛋白依賴性的內(nèi)吞作用來攝取
為了追蹤生理?xiàng)l件下外泌體的細(xì)胞間交換，我們探索了在小鼠體內(nèi)涉及各種遺傳策略的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)：
- 這些研究表明，外泌體可以在極少數(shù)情況下將mRNA傳遞到受體細(xì)胞
- 在急性炎癥（腹膜炎）或慢性炎癥（皮下腫瘤）小鼠模型中，免疫細(xì)胞的激活和擴(kuò)張?jiān)鰪?qiáng)了這種罕見的事件
化療等治療干預(yù)也可能影響腫瘤的外泌體攝取和隨后的生物學(xué)反應(yīng)：
- 抑制質(zhì)子泵或改變黑色素瘤細(xì)胞中的細(xì)胞pH會(huì)限制外泌體的攝取
蛋白質(zhì)被分類為外泌體，可以選擇性地誘導(dǎo)受體細(xì)胞中的特定信號(hào)，以調(diào)節(jié)發(fā)育、免疫反應(yīng)和疾病的過程。
3.2 哺乳動(dòng)物的繁殖和發(fā)育
人類的生殖、懷孕和胚胎發(fā)育需要精確、微調(diào)和動(dòng)態(tài)的細(xì)胞間通信。精液、羊水、血液和母乳都含有具有公認(rèn)功能的外泌體
- 精漿外泌體與精子成熟有關(guān)
- 在孕婦的血漿中，外泌體miRNA和蛋白質(zhì)含量隨胎齡和與早產(chǎn)兒相比而變化
- 母乳來源的外泌體含有具有免疫相關(guān)功能的miRNAs，并增加外周血來源的t調(diào)節(jié)細(xì)胞的數(shù)量，可能調(diào)節(jié)免疫耐受
3.3 免疫反應(yīng)和感染
外泌體在免疫反應(yīng)中的作用已被廣泛證明。最近的工程外泌體實(shí)驗(yàn)表明，外泌體在誘導(dǎo)適應(yīng)性和先天免疫反應(yīng)方面具有一定的作用，支持了它們?cè)谥委熼_發(fā)中的效用，并在協(xié)調(diào)免疫反應(yīng)應(yīng)對(duì)感染因子或癌癥方面發(fā)揮了潛在作用。
來自抗原提呈細(xì)胞(APCs)的外泌體攜帶p-MHC-II具有抗原肽的主要組織相容性復(fù)合體II(p)]和共刺激信號(hào)，并直接將肽抗原呈遞給特定的T細(xì)胞以誘導(dǎo)其激活。
3.4 代謝性疾病和心血管疾病
外泌體可能在代謝性疾病的出現(xiàn)和心血管健康中發(fā)揮作用。研究發(fā)現(xiàn)，它們可以轉(zhuǎn)移代謝物，并通過胰腺b細(xì)胞、脂肪組織、骨骼肌和小鼠和人類肝臟之間的外泌體miRNA交換來轉(zhuǎn)移代謝物，從而促進(jìn)細(xì)胞間的通信。
- 小鼠和人類癌細(xì)胞來源的外泌體，富含熱休克蛋白(HSP70和HSP90)，在功能上也與小鼠的肌肉萎縮有關(guān)
- 腎上腺髓質(zhì)素是一種誘導(dǎo)脂解的肽激素，在人胰腺癌細(xì)胞產(chǎn)生的外泌體中發(fā)現(xiàn)，誘導(dǎo)小鼠和人脂肪細(xì)胞的脂解，抑制大鼠和人胰島細(xì)胞的胰島素分泌
這些發(fā)現(xiàn)支持了癌細(xì)胞來源的外泌體可以改變非癌細(xì)胞的代謝，包括脂肪細(xì)胞和胰島細(xì)胞，從而在功能上促進(jìn)惡病質(zhì)和副腫瘤綜合征的發(fā)展
3.5 神經(jīng)退行性變
外泌體生物發(fā)生和神經(jīng)元細(xì)胞分泌囊泡調(diào)節(jié)之間的交集為外泌體和神經(jīng)退行性疾病發(fā)病機(jī)制之間的假定聯(lián)系提供了新的見解。外泌體可參與錯(cuò)誤折疊蛋白的清除，從而發(fā)揮解毒和神經(jīng)保護(hù)功能，或參與錯(cuò)誤折疊蛋白的繁殖和聚集，有效促進(jìn)蛋白質(zhì)聚集物的“感染性”，促進(jìn)疾病進(jìn)展。
3.6 癌癥
與外泌體在其他疾病中的作用相比，癌癥外泌體的研究進(jìn)展迅速，外泌體與癌癥的幾個(gè)顯著特征相關(guān)。外泌體影響腫瘤形成、生長和轉(zhuǎn)移、副腫瘤綜合征(paraneoplastic syndromes)和治療耐藥性。外泌體在癌癥進(jìn)展中的作用可能是動(dòng)態(tài)的，特定于癌癥類型、遺傳和階段。
在大多數(shù)研究中，癌細(xì)胞來源的外泌體的基質(zhì)細(xì)胞受體是癌相關(guān)成纖維細(xì)胞(CAFs)和免疫細(xì)胞，它們?cè)谀[瘤微環(huán)境中相互動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。
在多種癌癥類型中，已經(jīng)報(bào)道了來自癌細(xì)胞的外泌體在轉(zhuǎn)移部位引起實(shí)質(zhì)信號(hào)應(yīng)答(parenchymal signaling response)，有效地重塑遠(yuǎn)處微環(huán)境以增強(qiáng)轉(zhuǎn)移, 例如:
- 在癌細(xì)胞來源的外泌體表面表達(dá)的TGFb通過獲得aSMA和FGF2的表達(dá)來誘導(dǎo)成纖維細(xì)胞激活
- 在黑色素瘤和胰腺癌中，通過癌細(xì)胞來源的外泌體將骨髓祖細(xì)胞和巨噬細(xì)胞招募到轉(zhuǎn)移部位，參與轉(zhuǎn)移
- 小鼠和人類非轉(zhuǎn)移性黑色素瘤細(xì)胞外泌體表面的PEDF通過NR4A1誘導(dǎo)誘導(dǎo)巡邏單核細(xì)胞的擴(kuò)增，從而抑制小鼠肺的轉(zhuǎn)移
從基質(zhì)到癌細(xì)胞的外泌體交換也可以調(diào)節(jié)癌癥的進(jìn)展和轉(zhuǎn)移：
- 星形膠質(zhì)細(xì)胞來源的miR-19a傳遞到乳腺癌細(xì)胞，這導(dǎo)致PTEN（磷酸酶和緊張素同源物）的抑制，并促進(jìn)轉(zhuǎn)移
- 成纖維細(xì)胞來源的外泌體也通過誘導(dǎo)Wnt-PCP（平面細(xì)胞極性）自分泌信號(hào)來刺激乳腺癌細(xì)胞的遷移
外泌體也參與了腫瘤微環(huán)境的血管生成和細(xì)胞外基質(zhì)重塑，這是腫瘤生長和轉(zhuǎn)移擴(kuò)散的關(guān)鍵步驟
癌細(xì)胞脫落的外泌體可促進(jìn)對(duì)各種化療藥物和抗體的耐藥性
3.7 外泌體的臨床應(yīng)用
外泌體在向病變細(xì)胞傳遞功能性物質(zhì)方面的特性有利于它們?cè)诨A(chǔ)水平和應(yīng)用水平上作為治療載體
外泌體的診斷潛力
外泌體存在于所有生物液體中，并由所有細(xì)胞分泌，使它們作為微創(chuàng)液體活檢具有吸引力，并有可能通過縱向取樣來跟蹤疾病進(jìn)展。
外泌體的治療潛力
外泌體自身或作為藥物有效載荷的載體正在積極探索作為治療藥物。與脂質(zhì)體相比，注射的外泌體可以有效地進(jìn)入其他細(xì)胞，并在外源性給予小鼠時(shí)以最小的免疫清除傳遞功能性貨物。
此外，外泌體的治療應(yīng)用是有希望的，因?yàn)樗鼈円驯蛔C明具有良好的耐受性。
四、總結(jié)
- 外泌體是否能生長和分裂，以及在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境下，參與信號(hào)傳導(dǎo)事件和自主的生化反應(yīng)，仍有待確定
- 外泌體和逆轉(zhuǎn)錄病毒之間為何如此相似？
- 主要是利用細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)來闡明有趣的外泌體生物學(xué)，需要各種模型和生理學(xué)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)條件來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)
