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导读
外泌体是所有类型的细胞都会分泌的纳米颗粒，是细胞外囊泡（EV）的重要组成部分。外泌体一旦分泌出来就会进入组织间隙并最终进入循环，旁分泌发挥其局部调节作用或者远端全身性作用。因此，外泌体是细胞间和器官内相互交流的重要组成部分，能够将生物信号从一种细胞类型或组织传送到另一种细胞类型或组织。外泌体由蛋白质、脂质、miRNA 和其他RNA种类组成，外泌体的许多生物学效应都归因于miRNA。外泌体miRNA也被用作疾病生物标志物。外泌体在生物学和代谢领域研究越来越广泛，未来医学上可能会使用外泌体或miRNA 治疗代谢疾病。原名：Exosomes as mediators of intercellular crosstalk in metabolism通讯作者单位：美国加州大学圣迭戈分校医学院代谢学系
1. 引言
外泌体的研究发展迅速，它几乎贯穿了生理学和病理生理学的所有领域。外泌体是异质性的，是几乎所有细胞类型释放的细胞外囊泡(EVs)的组成部分。分泌的外泌体进入组织间隙，最终进入循环系统，作为细胞间交流和通信系统的重要组成部分。外泌体是双层囊泡纳米颗粒，大小在30至150 nm之间，通过特定的胞外分泌过程从细胞中释放出来。微囊泡( MVs)，有时被称为外体，是从质膜上脱落的更大的EVs，大小为100nm-1μm，凋亡小体是凋亡细胞死亡后释放的EVs中更大的组成部分(直径50-5000 nm)。在这篇综述中，作者将特别关注外泌体的生物起源，组成和应用潜力。外泌体领域的一个最初概念是，这些纳米颗粒作为废物处理系统，允许细胞包装和分泌不需要的细胞成分到细胞外环境。虽然这可能是部分正确的，但最近的研究集中在各种生理和疾病相关事件的外泌体效应，以及其作为疾病的生物标志物的重要性上。事实上，外泌体的不同信号特性已经在许多领域中得到了公认。在本文中，作者将回顾目前外泌体在代谢领域作为疾病生物标志物，以及发挥代谢调节作用的相关研究进展。由于外泌体以受调节的方式从细胞分泌，进入循环，并被远端细胞吸收并发挥生物学作用，因此外泌体生物学与经典内分泌系统有许多相似之处。新出现的证据表明，外泌体及其分泌受到多种不同的机制调控，这类似于典型的内分泌系统。利用基于大小、密度和膜蛋白成分的多种技术，研究者可以从细胞培养基和各种生物液体中分离出富集的外泌体。目前外泌体分离还没有一个标准的、被广泛接受的技术，但相关方法正在迅速发展。由于外泌体的异质性以及各种表征手段的不同，其分离方法存在技术限制，但外泌体领域已经出现了许多重要的发现。循环中的外泌体在作为生理调节剂和潜在治疗载体以及疾病生物标志物方面具有重要的潜力。作为正常细胞功能的组成部分，几乎所有的细胞类型都向细胞外环境释放各种各样的纳米囊泡。这些囊泡，通常被称为EVs，包含许多成分，如蛋白质、脂类和各种RNA种类，包括mRNA、长非编码RNA和microRNAs (miRNAs)。其中一些蛋白和脂质在囊泡表面表达，而另一些蛋白和脂质双分子层包裹着囊泡，囊泡腔内包含许多其他成分。在这些 EVs中，外泌体特别受关注，因为它们的生物发生和胞吐分泌途径包含特定的细胞内机制，研究者可以通过调节来确定外泌体的组成、功能和可能的靶向。压力、炎症或细胞周期事件等环境和细胞信号可以改变加载到外泌体中的特定成分，也可以调节外泌体释放的整个过程。利用循环作为转运系统，外泌体到达远端细胞位点，在那里它们可以结合到细胞表面并通过特定机制进行内吞作用。最近的证据表明，外泌体吸收机制可以被调节，各种外泌体可能包含特定的靶向分子，导致对受体组织有一定程度的特异性。外泌体也可以进行胞吞作用，允许它们穿过血脑屏障，进入中枢神经系统。国际细胞外囊泡协会(ISEV)推荐将EVs作为一个通用术语来描述由脂质双分子层细胞释放的所有纳米颗粒。外泌体是EVs的重要组成部分，现有各种技术来分离外泌体富集群体。然而，外泌体分离技术仍在不断发展，目前的方法产生的制剂在外泌体中高度富集，但仍含有少量其他EV亚型，如 MVs。研究中使用可靠的外泌体制备方法并对所得囊泡进行充分表征，研究结果才可以使用术语外泌体来进行描述。关于表征，ISEV 建议测量至少三种具有外泌体特征的蛋白质标记物，包括至少一种跨膜蛋白，如四次跨膜蛋白（CD63、CD81 和 CD82）、整合素或其他。此外，还需要一个胞浆蛋白(如TSG101、ALIX和syntenin)和一个阴性蛋白标记(如白蛋白和核糖体蛋白)。除了这些标准，在白细胞(CD37和CD53)、内皮细胞(ECs)(PECAM1)、间充质干细胞(MSCs) (CD90)和其他细胞中也发现了细胞类型特异性的外泌体蛋白。在本综述的其余部分，作者将在适当的时候使用外泌体一词。外泌体源自内体结构，该结构起源于质膜上内体的内吞作用（图1）。这些早期分选的内体最终成熟为晚期分选的内体，然后可以产生多泡的内体结构。多泡体 (MVB) 通过内体膜的向内内陷发展，在这些 MVB 内形成许多气泡，通常称为腔内囊泡 (ILV)。这些含有 ILV 的 MVB 可以与包含降解途径的溶酶体融合。或者，它们可以经历特定的胞吐过程，从而最终与质膜融合，将内陷的外泌体释放到细胞外空间。各研究已经描述了参与外泌体生物发生过程的多种蛋白质和脂质，例如，Rab蛋白调节囊泡运输和外泌体形成；此外，其他蛋白质与ALIX等辅助蛋白质一起组装成运输所需的内体分选复合物的四个组成部分(ESCRT-0、-I、-II和-III)，这些复合物参与了MVB和ILV的生物发生。ESCRT-0复合物识别并隔离内体膜中的泛素化蛋白，而ESCRT-I和-II复合物负责将膜变形成带有隔离成分的芽。ESCRT-III组分随后驱动囊泡分离。四次跨膜蛋白可诱导膜弯曲结构，从而形成囊泡。最后，各种脂质修饰酶，如鞘磷脂酶，产生促进囊泡形成的神经酰胺。然而，要阐明这些细胞内成分在外泌体生物发生/胞吐过程中的具体作用，仍有许多工作要做。其中一个复杂的因素是，参与这些过程的许多蛋白也作用于其他细胞内功能，因此功能获得或丧失的研究可能同时干扰外泌体生物发生/胞外分泌和其他细胞内事件。外泌体生物发生背后的过程仍有待进一步研究。
微泡直接从质膜中出芽，外泌体是由多泡体脂质双层膜向内出芽产生的。MVB与质膜融合是一个严格调控的多步骤过程，包括MVB沿着微管运输，并在质膜上对接，以进一步释放外泌体。另外，MVBs可以与溶酶体融合，作为降解过程的一部分。最初，外泌体通过蛋白-蛋白或受体-配体相互作用结合到受体细胞表面，这可以启动信号级联，激活内吞通路。外泌体分泌作用于受体细胞发挥生物学效应。外泌体到达受体细胞后，内化通过两个步骤发生。最初，外泌体通过蛋白-蛋白或受体-配体相互作用结合到细胞表面，这可以启动信号级联，激活内吞通路。蛋白酶K处理后受体细胞摄取减少，证实外泌体表面蛋白的作用。许多蛋白质已被鉴定为使外泌体与细胞结合的膜结合受体。许多蛋白质已被鉴定为膜结合受体，使外泌体与细胞结合，包括整合素-四跨膜蛋白复合物，和/或外泌体ephrin受体(Eph)与受体细胞上表达的膜ephrin结合。另一个例子是具有胶原结构的巨噬细胞受体(MARCO)，它可以介导巨噬细胞的外泌体内化。此外，外泌体膜蛋白也调节循环动力学，研究发现外泌体在静脉给药前的蛋白酶处理后导致循环清除率延迟。由于外泌体表面蛋白受亲代细胞蛋白质库的影响，外泌体膜组成可以根据细胞生理状态而变化。外泌体富含糖蛋白，由于受体介导的外泌体摄取可能依赖于醣基化，天然糖基化的破坏会改变受体细胞类型的摄取。糖基化是否直接参与细胞识别和/或主动进入细胞尚不清楚。内吞作用是通过网格蛋白依赖或非依赖途径摄取外泌体最常见的机制。网格蛋白介导的内吞作用是细胞外物质摄取的一个众所周知的过程，抑制这一途径减少了外泌体的摄取。网格蛋白独立的内吞作用主要包括caveolin1、RhoA和ARF6。caveolin 1可以介导质膜内特定微域的形成，也称为脂筏，这是外泌体的入口点。巨胞饮作用是在依赖肌动蛋白聚合的过程中，将大量胞外液体摄取到巨胞饮体中。在巨胞饮过程中，肌动蛋白丝驱动的质膜突出形成内陷，非特异性地吞入细胞外液和小颗粒。已经报道过许多通过此途径摄取外泌体的例子。巨噬细胞、树突状细胞和其他类型的细胞也通过吞噬作用吸收外泌体。吞噬作用可能代表免疫细胞清除外泌体的选择性过程。融合是外泌体内化的另一种潜在机制。在细胞表面膜融合过程中，两种不同的脂质双分子层膜相互靠近，形成半融合柄。该茎膨大，出现半融合隔膜双层，随后融合孔打开，促进两个疏水核的混合。特定的外泌体亚型进入选定的受体细胞的调控机制是一个重要和新兴的课题，也是未来研究的关键课题。细胞外囊泡的组分在不同的生物流体中保持相对稳定。这些组分包括蛋白质、脂类、代谢物、氨基酸、各种RNA和DNA。外泌体成分赋予外泌体对邻近或远端细胞的生物学效应。外泌体的脂质成分包括鞘脂、胆固醇、磷脂酰丝氨酸、饱和脂肪酸和神经酰胺，所有这些都在质膜中存在。神经酰胺在 ILVs 出芽到 MVBs 腔中的直接作用显示使用中性鞘磷脂酶抑制剂减少外泌体的总体分泌。外泌体的蛋白质组包括与膜运输相关的蛋白质，例如四跨膜蛋白（CD63、CD81、CD82 和 CD9），它们通过 ALIX 和 ESCRT-III 依赖性途径被招募到外泌体。外泌体还可以富含热休克蛋白（Hsp60、Hsp70 和Hsp90）、整合素和 MHC II 类蛋白。外泌体并不仅仅代表亲代细胞的蛋白质组成。通过翻译后修饰控制的选择性蛋白质组分分类，某些蛋白质在外泌体中富集，如与ESCRT复合物结合所需蛋白的泛素化。在不同的外泌体RNA种类中，miRNAs和mRNA的研究最为深入。研究表明一些外泌体mRNA是完整的，可以在受体细胞中转化为功能蛋白。RNA进入外泌体的过程是有选择性的，这些机制被相关文章进行了综述。外泌体DNA (exoDNA)可以包括单链或双链DNA形式的核DNA和线粒体DNA。ExoDNA可位于囊泡表面或囊泡内部。DNA包装到外泌体的机制尚不清楚。MV也包含上述组分，有几种机制调节货物蛋白进入MV管腔，包括ESCRT。此外，细胞质蛋白在MV管腔形成位点与质膜结合。这种结合是基于翻译后修饰，如肉豆蔻酰化和棕榈酰化，这些蛋白集中在MV出芽的质膜区域。由于MV覆盖了一个显著且不均匀的尺寸范围(50 nM-1μM)，MV囊泡大小和组成成分之间的差异值得进一步研究。MV 中存在不同的 RNA 种类，包括 mRNA、非编码 RNA 等。 miRNAs和pre-miRNAs都可以通过MVs来传递信息。将 miRNA 包装到 MV 中的确切机制尚不清楚，但 MV与其亲本细胞之间 miRNA 含量的差异表明miRNA 选择性加载到MV中。 MV内的 DNA包括单链 DNA、双链基因组 DNA和线粒体 DNA。 DNA 的长度不同，很大程度上取决于与之相关的MV的大小。完整的MV DNA可以>2 Mbp并且与组蛋白 (H2B) 相关，表明存在完整的染色体 DNA。miRNA是长22 nt的非编码 RNA，是后生动物和植物基因表达的关键转录后调控因子，在基因表达的转录后调控中起重要作用。miRNA 调节大量细胞功能，其表达的变化与几种人类病理生理状态有关。许多miRNA 以组织特异性或发育阶段特异性方式表达，有助于细胞类型特异性的mRNA和蛋白质表达谱。Pri-miRNA 是发夹形前体 miRNA 分子，由 RNA 聚合酶 II 从独立基因或蛋白质编码基因的内含子转录（图2）。pri-miRNA 作为两种酶 Drosha和Dicer（RNase III 家族的成员）的底物。 Drosha 切割导致 70-nt pre-miRNA 输出到细胞质，在那里 Dicer 将其加工成 22-bp miRNA/miRNA 双链体。这种双链体的一条链，代表成熟的 miRNA，被整合到 miRNA 诱导的沉默复合物 (miRISC)中。在miRISC中，miRNA 与其目标 mRNA 配对。该过程涉及 6 至 8 nt miRNA 种子序列，该序列与目标 mRNA 的 3 个UTR内的互补核苷酸结合，导致翻译抑制或去腺苷酸化和降解。直接与 miRNA 相互作用的 Argonaute (AGO) 蛋白和 182 kDa 的甘氨酸-色氨酸蛋白 (GW182) 是 miRISC 组装和功能的重要因素，代表了miRNA 抑制途径的关键步骤。在 miRNA 的成熟过程中，Drosha 和 Dicer 都受到多种辅因子或辅助蛋白的协助，例如 SMAD 核相互作用蛋白 (SNIP1) 和腺苷脱氨酶 (ADAR)。 miRISC 的主要成分包括 miRNA、miRNA 的 mRNA 靶标、GW182 和 AGO2。AGO2 蛋白在 miRNA 的 5 端与U或A结合，在介导mRNA:miRNA 对的形成中起重要作用，随后是 mRNA 靶标的翻译抑制或降解。
外泌体是所有类型细胞分泌的纳米颗粒，进入组织间隙并最终进入循环。在这种方式下，外泌体代表了细胞间和器官间串扰的广泛信号系统。外泌体的分泌受营养输入、细胞应激和各种各样的生理或病理生理状态的调节。鉴于这些调节事件和来自特定细胞的分泌外泌体作用于远端受体细胞的能力，外泌体显示出许多经典内分泌信号的特征。外泌体miRNA可以影响多种生物学途径调节代谢。新的和改进的方法将出现，以产生更高纯度的外泌体制剂，这将有助于解决有关外泌体分泌调节、外泌体靶向特定目的地以及外泌体被受体细胞摄取的详细机制的突出问题。使用循环外泌体作为一种液体活检方法来识别疾病生物标志物已经取得了积极的结果，未来的研究可能会识别改进的生物标志物特征。外泌体具有巨大的治疗潜力，代谢领域以外的临床研究已经在进行中。在代谢领域，未来的工作可能包括对外泌体、含有特定miRNA的人工外泌体以及装载到外泌体中的其他类型有效成分的研究。总之，外泌体生物学领域正在快速发展。
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1550413121003697
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