外泌體與脂質代謝的相互作用

程 琳,許潑實

(1.河南中醫藥大學,河南 鄭州 450008;2.阜外華中心血管病醫院,河南 鄭州 451464;3.河南省人民醫院,河南 鄭州 451464)

外泌體是直徑為30～150 nm,由脂質雙層膜包裹構成的囊泡,可以由多種細胞分泌,且廣泛存在于各種體液中。外泌體通過靶向地與受體結合,將自身內容物導入受體,可改變受體的生理過程。外泌體的脂質雙層膜具有細胞膜類似的功能,能夠保護外泌體內的脂質、核酸、蛋白質和其他細胞因子不受各種外界因素的影響。目前關于外泌體的研究主要集中于闡明外泌體在一系列病理過程中的細胞通訊作用,通過組學分析獲取外泌體內主要表達的和可變表達的生物活性物質是外泌體的研究重點[1]。而關于外泌體介導維持體內平衡和調節生理功能的研究較少。作為理想的生物標志物,外泌體轉移內容物的能力為未來治療疾病提供了無限的可能性。相關研究表明,外泌體參與脂質代謝、維持體內脂質穩定,與脂質代謝紊亂導致的疾病有關[2]。本文主要探討外泌體與脂質代謝的相互作用。

1 外泌體在脂質代謝中的作用

脂質代謝紊亂是由細胞接觸可溶性載體或脂蛋白結合的生物活性脂質交換介導的細胞通訊所導致的,不僅會引起肥胖、脂肪肝、動脈粥樣硬化和神經退行性疾病,也與腫瘤的轉移相關。外泌體可以介導細胞間通訊,其攜帶的生物活性物質加強了其在脂質代謝中的潛在作用。外泌體可以被脂肪細胞攝取,并且誘導細胞發生脂解[3]。而非典型鱗狀細胞外泌體可以通過增加表皮脂質神經酰胺的含量影響特發性皮炎病變區域的皮膚屏障,減輕炎性反應[4]。因此,循環外泌體可以稱為人類脂質代謝的生物標志物[5]。外泌體通過其內容物參與脂質代謝,下文中將分別從外泌體運載的物質介紹其在脂質代謝中的作用。

1.1 外泌體通過攜帶的脂質參與脂質代謝 外泌體中含有豐富的脂質種類,而此類脂質具有物種特異性,與其來源細胞的脂質組成類似但不完全相同。外泌體作為生物載體,可以直接轉運膽固醇、脂肪酸和二十烷類化合物等脂質物質到受體細胞[6]。一些新型的技術可以應用于外泌體的研究,如通過拉曼光譜對比外泌體內脂質成分的含量,可以判斷疾病的嚴重程度,也可以成為疾病診斷的標志物。癌細胞的外泌體譜為診斷提供補充信息,通過對卵巢癌細胞和卵巢表面上皮細胞來源的外泌體的脂質進行分析,發現外泌體脂質在腫瘤的侵襲轉移中發揮重要作用,更具侵略性的腫瘤的外泌體中含有更多的脂質[7]。腫瘤來源的外泌體(TDEs)中含有大量的脂肪酸,骨髓源性樹突狀細胞(BMDCs)內化TDEs,就會發生時間和濃度依賴性的脂質積累,導致腫瘤浸潤性樹突狀細胞功能障礙[8]。外泌體中含有具有生物活性的脂質,如花生四烯酸、前列腺素,從巨噬細胞中釋放到癌癥微環境中,參與癌癥的轉移和發生,抑制腫瘤細胞來源的外泌體可能是治療腫瘤相關性惡病質的新方法。哮喘病患者氣道外泌體中神經酰胺、磷脂酰甘油與健康受試者存在顯著差異,暴露于二手煙的受試者,與健康受試者相比脂質成分也會有明顯變化[9]。脂肪來源的細胞釋放的外泌體充滿脂質,可使受體細胞積累脂質呈現多核細胞狀態[10]。外泌體的脂類可以改變細胞功能,其脂質含量可以判斷外泌體來源,幫助外泌體分類鑒別,也能體現出親本細胞狀態,外泌體中脂質的改變有助于疾病的診斷和治療。

1.2 外泌體通過攜帶的核酸參與脂質代謝 外泌體攜帶微小核糖核酸(miRNAs),可以使這些miRNAs在血液中循環,同時避免血液核糖核酸酶活性降解并轉移到受體細胞,進而改變受體細胞的基因表達和表型[11]。外泌體miRNAs已經被證明參與腫瘤進展和轉移,這些短的非編碼RNA參與了從發育和代謝調節到疾病發展的廣泛的生物學過程,但其在脂質代謝過程中的研究較少。近期研究發現,脂肪細胞來源的外泌體中的miRNAs可以調節其他組織的基因表達。通過外泌體中的miRNAs的研究,可以更好地了解脂質代謝的過程,并將其用作診斷和治療的生物標志物。不同來源的外泌體中含有差異性的miRNA都具有調節脂質代謝的功能,如來自腫瘤外泌體的miR-155通過下調過氧化物酶體增殖物激活受體-γ(PPAR-γ)的表達來調節脂肪細胞的能量代謝[12],而miR-155過表達的成熟脂肪細胞中脂滴會減少。miR-122上調脂肪酸合成酶(FASN)和乙酰輔酶A羧化酶(ACC)基因的非編碼區,從而增加肝臟脂肪酸和膽固醇的生物合成。外泌體中高水平的miR-122與非酒精性脂肪肝密切相關,充足的miR-122導致膽固醇和脂肪酸顯著增加。來源于骨髓間充質干細胞的外泌體miR-124a可以沉默巨噬細胞,導致細胞內脂質堆積。用外泌體中的miR-199a處理小鼠會導致小鼠肝臟中脂質積聚,細胞和血漿中的三酰甘油均明顯增加[13]。血漿外泌體的miR-223與大腿脂肪增加有關,且可以改變血漿代謝和脂蛋白譜。外泌體中循環的miR-33參與脂質代謝,抑制miR-33可以提高高密度脂蛋白的水平[14]。巨噬細胞外泌體中miR-210在高糖的刺激下,其含量顯著增高,miR-210通過損傷線粒體的功能導致脂肪酸分解減少,促進白色脂肪細胞內脂質的積累。從大脂肪細胞釋放的外泌體miRNAs可以轉移到小脂肪細胞,刺激脂肪生成和脂肪細胞肥大[15]。研究外泌體中的miRNAs,可以在分子層面揭示脂質代謝的機制,探究脂質代謝相關的信號通路,對于疾病的診斷和治療都提供了新思路。

1.3 外泌體通過攜帶的蛋白質參與脂質代謝 外泌體中富含與新生脂肪生成相關的酶,如ACC、葡萄糖-6-磷酸脫氫酶(G6PD)和FASN,產脂酶轉移到受體細胞促進脂質積累[16]。循環中的外泌體表達功能性脂肪酶轉位酶(CD36)介導其對游離脂肪酸的攝取[17]。棕色脂肪組織來源的外泌體將含有線粒體成分的功能蛋白轉運到受體細胞,參與分解代謝,可以減少肝臟中脂肪沉積[18]。外泌體富含與脂肪酸氧化有關的蛋白質,參與了脂肪細胞和癌細胞之間的相互作用,增強腫瘤細胞的侵襲性[19]。白三烯是促進粒細胞遷移的脂質介質,在巨噬細胞產生的外泌體中發現了能夠產生白三烯的酶,參與白三烯的生物合成[20],促進靶細胞的炎性反應。腫瘤來源的外泌體中富含磷脂酰絲氨酸和酸性鞘磷酶,具有保護腫瘤逃避治療的作用[21]。通過研究外泌體中的蛋白質,可進一步了解外泌體在脂質代謝中的作用。

1.4 外泌體通過攜帶的其他細胞因子參與脂質代謝外泌體能夠產生腫瘤壞死因子-α(TNF-α),誘導巨噬細胞膽固醇積聚[22]。外泌體可被人脂肪源性間充質細胞(h AD-MSCs)內化,在外泌體中檢測到轉化生長因子-β(TGF-β),通過 TGF-β信號通路 介導抑制h AD-MSCs的脂肪形成,降低成脂轉錄因子、脂肪細胞特異性標志物PPAR-γ和脂蛋白脂肪酶的m RNA表達[23]。血漿外泌體中的轉錄釋放因子增加了小鼠前脂肪細胞肥大衰老的發生,而腫瘤細胞來源的外泌體衍生的細胞因子如白細胞介素-6、TNF-α、干擾素-γ和蛋白分解誘導因子有助于脂肪的流失,擾亂新陳代謝[24]。對于外泌體中其他細胞因子的研究,為探索外泌體參與脂質代謝的途徑提供新思路。

2 脂質代謝對外泌體的影響

2.1 脂質代謝影響外泌體的形成 外泌體的生物發生過程十分復雜,除了根據親代細胞類型的不同,也容易受到外界因素的影響。外泌體的脂質膜是由鞘脂和膽固醇之間的相互作用形成的,脂質成分作為外泌體生物發生和功能的關鍵成分,其代謝會影響外泌體的形成。通過膽固醇處理后,外泌體發生富集,表明膽固醇會增加外泌體的釋放,抑制鞘磷脂酶會導致外泌體的形成減少[25]。肥胖癥小鼠外泌體的數量有升高的趨勢,外泌體的組成也可能由于肥胖而改變,miRNA的表達也有所差異[26]。外泌體的形成都是由特定的脂質和與脂質代謝相關的酶來調節,二?；视?DAG)和磷脂酸的調控被認為是蛋白質從高爾基體轉運到質膜的關鍵因素,二?；视图っ甫镣返倪^度激活會抑制外泌體的分泌,因此抑制此通路將會提高外泌體的分泌[27]。外泌體相關結構域進入核內體管腔,不僅依賴于內吞體分選轉運復合物的功能,還需要鞘磷脂神經酰胺,中性鞘磷脂酶抑制后,外泌體釋放隨之減少[28]。酸性鞘磷脂酶的激活,是釋放外泌體的必要條件,而神經酰胺的生成是外泌體脫落的必要條件。輕度氧化的高密度脂蛋白可以改善血小板的脂膜,從而拮抗血小板外泌體的釋放。細胞受到刺激時,會觸發磷脂酶D2(PLD2)從質膜轉位到細胞內腔,轉移到外泌體釋放,活性PLD2的過表達會增加外泌體的釋放,這可能與PLD2參與外泌體的形成有關[29]。植物提取的神經酰胺可以增加神經元釋放外泌體,導致神經元和膠質細胞培養系統中的細胞外淀粉樣蛋白(Aβ)水平降低,防止Aβ聚集,可能對預防癡呆癥有一定作用。脂質不僅是人體需要的重要營養物質,也是生物膜的重要組成成分。因此,脂質代謝對于維持外泌體的正常結構有著重要的作用。

2.2 脂質代謝影響外泌體的功能 外泌體的攝取依賴于稱為脂筏的富含膽固醇的膜微區,與膽固醇和酪氨酸激酶活性有關,可被血漿膜膽固醇的非特異性消耗所阻斷。清道夫受體是一種富含膽固醇的高密度脂蛋白的受體,其介導的膽固醇外流可以抑制受體細胞對外泌體的吸收。膽固醇的存在對外泌體的攝取不可或缺,使用一種3-羥基-3-甲基戊二?；o酶A還原酶抑制劑預處理細胞,可以呈現劑量依賴性地抑制外泌體的攝取。黑色素瘤來源的外泌體可以下調Ⅰ型干擾素受體和干擾素誘導的膽固醇25-羥化酶(CH-25 H)的表達,CH-25H產生的25-羥基膽固醇可以抑制黑色素來源外泌體的攝取功能[30]。

外泌體的脂質雙層結構可以保護和轉移外泌體內的生物活性分子。外泌體膜與原始細胞類似,具有無限靶向的可能性,其膜結構和組成可以逃脫免疫監控,外泌體的脂質成分影響外泌體脂質膜的完整性,也會影響外泌體的攝取。在脂質代謝紊亂的條件下,發現外泌體中的蛋白質和脂質成分均存在差異。外泌體的攝取可能與膽固醇代謝的相關途徑有關,高膽固醇的環境下外泌體更加活潑更容易被正常細胞攝取,在低膽固醇條件下,內吞作用會受到抑制[31]。脂質參與信號傳遞可以影響外泌體的功能,同時作為外泌體膜的組成成分,脂質代謝紊亂也會影響外泌體的功能。

3 結論

外泌體作為新型的細胞間運輸載體,對于外泌體的研究可以更好地了解疾病,并為疾病的發生和發展提供新的研究視角。脂質代謝可以影響外泌體的合成和分泌,外泌體通過攜帶的生物活性分子,參與脂質的形成、運輸和降解,從而影響脂質代謝。質譜技術的廣泛應用,可以發現外泌體組學差異,對來自不同病理條件下的外泌體進行分析,可以監控特定的病理生理狀況,了解疾病發展過程中脂質的具體變化,闡明外泌體不同組織的特定關系及介導的特定表型,對于疾病未來的轉化、進展和治療至關重要。血清中分離的外泌體可以發現占據主導地位的轉錄本,然而目前的研究卻主要集中于闡明外泌體作為細胞通訊載體在病理變化過程中的作用,對于外泌體參與體內代謝的研究較少,且外泌體的組學分析存在許多問題,也缺乏更精密的儀器和檢查方法。因此,應研究和探索新的研究方法,為循環外泌體作為脂類相關疾病生物標志物,以及檢測、量化和調節外泌體為脂類疾病的診斷和治療提供可靠的依據。