外泌体与肿瘤侵袭转移相关研究进展

王超群　孙豪庭(综述)　钦伦秀,3△(审校)

(1复旦大学附属华山医院普外科　上海　200040; 2复旦大学肿瘤转移研究所　上海　200040; 3复旦大学生物医学研究院　上海　200032)



外泌体与肿瘤侵袭转移相关研究进展

王超群1,2孙豪庭1,2(综述)钦伦秀1,2,3△(审校)

(1复旦大学附属华山医院普外科上海200040;2复旦大学肿瘤转移研究所上海200040;3复旦大学生物医学研究院上海200032)

【摘要】外泌体(又称外泌小体,exosomes)是一种能由绝大多数细胞释放的、具有脂质双分子层和丰富内容物的微囊泡结构,直径约30～100 nm。1981年科学家首次发现肿瘤源性外泌体,近10年来发现外泌体中不仅包含功能性蛋白,还有功能性核酸物质,这些蛋白质、核酸等对肿瘤侵袭转移具有促进作用,成为肿瘤相关研究的热点。外泌体以其独特的方式包裹蛋白质和核酸物质,稳定有效地进行细胞间信号的传递和交换。更好地了解外泌体促进肿瘤侵袭转移的机制,将有助于明确肿瘤侵袭转移的关键环节,进而有针对性地研发有效的防治策略,改善肿瘤患者预后。

【关键词】肿瘤;转移;外泌体

肿瘤源性外泌体 (exosomes)的研究始于1981年,Trams等[1]首次发现肿瘤源性外泌体包含具有生物活性的核苷酸酶,根据其大小可以分为直径500～1 000 nm和40 nm左右两类。1987年,Johnstone等[2]在对网织红细胞成熟的研究过程中同样发现了外泌体的释放,重新定义了外泌体的直径为30～100 nm[2],这一定义也为之后的多数科学家所认可。此后的25年间,外泌体研究相对比较缓慢。一直到最近10年,尤其是近5年来,外泌体与肿瘤的相关研究迅速增加,掀起了外泌体的研究热潮,主要原因在于肿瘤相关的外泌体无论是在肿瘤转移机制、肿瘤诊断与监测以及肿瘤治疗等方面都表现出了相对强大的优势。

外泌体是由细胞膜内陷后通过一系列复杂的机制形成多囊泡小体(multivesicular bodies,MVBs),然后MVBs与细胞膜融合,释放外泌体至细胞外。这些外泌体的大小为30～100 nm,内含蛋白质、核酸以及脂类物质,外泌体可以作为这些物质的运输及存储工具,存在于很多体液中,包括血液、尿液、唾液及腹水等,被靶细胞内呑后其内容物通过多种机制发挥功能[3]。本文主要总结国内外有关外泌体与肿瘤侵袭转移的相关研究进展,为研究肿瘤外泌体相关转移机制提供新的线索。

目前关于外泌体抑制肿瘤的相关报道较少,2013年,Bruno等[4]通过研究发现间充质干细胞源性的外泌体可以抑制肝癌 (HepG2)、Kaposi肉瘤、卵巢癌 (Skov-3)细胞体内体外的增殖以及生长。但是,间充质干细胞究竟对肿瘤进展发挥了促进还是抑制作用,仍然有待进一步研究加以证实[5]。相对而言,近些年外泌体促进肿瘤转移方面的研究报道则越来越多,主要集中在以下4个方面: (1)肿瘤细胞通过分泌外泌体直接为肿瘤侵袭转移开辟道路[7-8]; (2)高转移潜能的肿瘤细胞可以通过外泌体促进肿瘤细胞自身或者其他相对低转移潜能肿瘤细胞的侵袭转移能力[9-10]; (3)肿瘤微环境中间质细胞与肿瘤细胞通过外泌体进行相互对话,促进肿瘤转移[11]; (4)肿瘤源性外泌体通过对远处转移灶微环境中的间质细胞进行改造,进而促进循环肿瘤细胞的远处定植和增殖[12,14]。另外,还存在一些其他肿瘤中外泌体促进肿瘤侵袭转移的机制研究有待探讨。

肿瘤细胞源性外泌体开辟肿瘤侵袭转移之路肿瘤细胞源性外泌体可以富含多种基质金属蛋白酶 (matrix metalloproteinases,MMPs),比如MMP1、MMP2、MMP13等,以及ADAMs,如ADAM-10和ADAMTS1等[7-8,15],而MMPs以及ADAMs可通过降解细胞外基质 (extracellular matrix,ECM)以及剪切细胞间黏附分子,从而促进肿瘤细胞侵袭转移[16]。

肿瘤细胞源性外泌体促进肿瘤细胞的转移能力2008年,Al-NedawiK等[9]首次发现EGFR突变 (EGFRvⅢ)的胶质瘤细胞可以通过释放富含突变受体蛋白EGFRvⅢ的外泌体赋予野生型胶质瘤细胞更强的侵袭能力。富含EGFRvⅢ的外泌体进入野生型胶质瘤细胞后,可以激活EGFRvⅢ调节的下游通路,如VEGF、BCL-XL、p27,从而增强受体细胞侵袭能力。2013年,Demory Beckler等[17]研究发现K-RAS突变的结肠癌细胞株可将突变的K-RAS蛋白、EGFR、SRC激酶、整合素等恶性相关蛋白质传递给K-RAS野生型细胞株,从而增强后者的恶性表型[17]。从首次发现肿瘤源性的外泌体以来,科学家们就知道了外泌体可包含功能性的蛋白质[1]。但是,直到2007年,Valadi等[18]首次系统阐述了人肥大细胞源性外泌体中包含功能的mRNA和microRNA,可由供体细胞传递给受体细胞。基于这一发现,Le等[19]研究发现,高转移乳腺癌细胞通过外泌体可以将miRNA-200传递给低转移潜能的乳腺癌细胞,从而增强后者的侵袭转移能力。Kogure等[10]也发现含有miRNAs的肿瘤细胞源性外泌体可调控靶细胞TAK1表达,进一步促进侵袭转移,而这一靶细胞甚至可以是肿瘤细胞系本身。这就说明了肿瘤细胞源性的外泌体不仅对相对低转移侵袭能力的肿瘤细胞具有促转移作用,其对肿瘤细胞自身的转移侵袭能力的维持也具有至关重要的作用。

外泌体在间质细胞与肿瘤细胞相互对话过程中的作用间质细胞促进肿瘤细胞发生发展的研究早在100多年前就已有报道[20]。而近10年来科学界开始着眼于间质细胞与肿瘤细胞间通过外泌体进行相互对话的研究[21]。富含TGFβ1蛋白的肿瘤源性外泌体可以将静息状态的成纤维细胞活化形成肌成纤维细胞,从而促进肿瘤血管新生以及肿瘤的生长,而单纯的可溶性TGFβ1虽然可以激活成纤维细胞,但却没有促进血管新生和肿瘤生长的作用[22-23]。肿瘤细胞源性外泌体还可以诱导单核细胞向M2型巨噬细胞的分化,进而促进肿瘤血管新生及肿瘤生长、侵袭转移[24-25]。除了间接促进肿瘤血管新生,肿瘤细胞源性外泌体还可以通过传递miRNA-210、组织因子等直接调控血管内皮细胞的靶基因或信号通路,从而促进血管新生[26-29],为肿瘤转移创造条件。富含癌蛋白KIT的肿瘤源性外泌体可促进肿瘤微环境平滑肌细胞分泌MMP1,进而为肿瘤细胞的侵袭转移铺平道路[30]。反之,间质细胞源性外泌体亦可促进肿瘤细胞的侵袭转移。2012年,Luga等[11]通过严密的实验结果证明,小鼠成纤维细胞释放的外泌体携带CD81进入受体乳腺癌细胞,从而装载WNT11蛋白,激活WNT-PCP自分泌的信号通路,进一步促进乳腺癌细胞的运动迁移能力。而Shimoda等[31]的研究发现活化后的成纤维细胞释放的外泌体中富含的ADAM10可以激活肿瘤细胞NOTCH及RhoA通路并促进肿瘤细胞的运动能力。巨噬细胞源性的富含Wnt5a蛋白的外泌体亦可促进肿瘤细胞侵袭转移。除了肿瘤细胞与间质细胞之间,间质细胞与间质细胞之间也可通过外泌体进行相互对话。2014年,Burke等[33]研究发现骨髓源性抑制细胞 (myeloid-derived suppressor cells,MDSC)源性外泌体可以诱导巨噬细胞向M2促癌型分化。

肿瘤源性外泌体改造肿瘤转移微环境2012年,Peinado等[12]研究发现,高转移潜能黑色素瘤细胞B16-F10源性外泌体可以促进小鼠原位瘤模型的体内转移,其理论基础涉及到这些富含met蛋白的外泌体对骨髓源性细胞 (bone marrow derived cells,BMDCs)的改造,改造后的BMDCs浸润小鼠肺脏后,会改变肺脏微环境,包括血管通透性增强、血管新生等,从而为肿瘤细胞的肺脏定植与生长提供帮助。类似的,2014年,Zhou等[14]的研究证明,高转移潜能乳腺癌细胞源性外泌体富含miRNA-105,这些外泌体被肺脏微血管内皮细胞摄取后,内皮细胞的紧密连接蛋白ZO-1的表达显著下调,导致血管通透性增加,有助于肿瘤细胞向肺脏的定植[14]。2015年,Costa-Silva等[13]阐述了肿瘤源性外泌体可以通过更为复杂精细的机制的对预转移灶进行改造。首先,胰腺癌细胞可释放富含巨噬细胞迁移抑制因子 (macrophage migration inhibitory factor,MIF)的外泌体,这些外泌体循环至肝脏后促进肝脏固有的库普弗细胞分泌细胞因子TGFβ,TGFβ又进一步作用于成纤维细胞,促进纤连蛋白 (fibronectin)的分泌,最终促进肿瘤细胞在肝脏的定植,从而增加了转移形成的可能性。

外泌体促进肿瘤侵袭转移的其他机制2014年,Ostenfeld等[34]研究发现了一个有趣的现象,高转移潜能膀胱癌细胞源性的外泌体中抑癌基因miRNA-23b的含量显著高于非转移细胞系源性的外泌体,作者通过一系列实验结果提出全新理论——肿瘤细胞通过外泌体释放舍弃抑癌基因miRNA-23b从而获得转移潜能。虽然作者的这一理论还没有得到公认,但高转移潜能肿瘤细胞源性的外泌体富含肿瘤抑制的miRNA这一有趣现象的出现却并非偶然。同是2014年,Zhou等[14]在对高转移潜能的乳腺癌细胞系MDA-MB-231和正常乳腺上皮细胞系MCF10A及其源性的外泌体进行了miRNAs的表达谱检测,在发现了促癌基因miRNA-105的同时,作者还列出了许多抑癌基因,包括miRNA-127-3p[35]、miRNA-493[36]、miRNA-451[37]、miRNA-122[38]、miRNA-143[39]等,相对于MCF10A细胞,这些抑癌基因在MDA-MB-231细胞中低表达,但在MDA-MB-231细胞源性的外泌体却是高表达的。如果肿瘤细胞通过外泌体舍弃抑癌基因的理论真实存在,那么其内在的作用机制又是如何的呢？目前虽没有文献报道能够给出明确答案,但可能已经有了一点提示。2009年,Jones等[40]研究发现ZCCHC11蛋白可以选择性介导miRNA-26a的尿苷化从而使得miRNA-26a失去功能[40]。2014年,Melo等[41]研究发现,在肿瘤源性的外泌体中存在着细胞非依赖性的将前体miRNA剪切成熟的必要手段,这些剪切成熟的miRNA甚至可以促进乳腺正常上皮细胞的恶性转化。因此,外泌体能否通过某些未知的内在机制从而使得肿瘤细胞具有舍弃抑癌基因,同时又保留癌基因的能力,有待进一步探索发现。

结语总体而言,外泌体在肿瘤中具有强大的作用。外泌体是由脂质双分子层结构包裹而成的微囊泡,相对于游离的RNA而言,血液循环中存在于外泌体中的mRNA、miRNA等功能性的RNA由于有了外泌体外衣的保护,可避免迅速被降解从而保持稳定性,进而更为有效地发挥远距离信号传递功能,为肿瘤远处转移提供条件[3,42-43]。另一方面,外泌体以其独特的母细胞释放及靶细胞进入的方式,不但可以包裹及传递分泌型的蛋白,如WNT蛋白[44],还可以装载非分泌型蛋白,如met蛋白[12],增加了肿瘤细胞的生物学多样性以及肿瘤的难治性。因此,进一步理解外泌体在肿瘤侵袭转移中发挥的作用及机制,有助于对肿瘤生物学多样性的了解,从而为进一步研究如何有针对性地防治肿瘤转移提供理论依据。

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Recent progresses in association between exosomes and tumor metastases

WANG Chao-qun1,2,SUN Hao-ting1,2,QIN Lun-xiu1,2,3△

(1DepartmentofGeneralSurgery,HuashanHospital,FudanUniversity,Shanghai200040,China;2CancerMetastasisInstitute,FudanUniversity,Shanghai200040,China;3InstituteofBiomedicalSciences,FudanUniversity,Shanghai200032,China)

【Abstract】Exosomes are a kind of microvesicles with diameters of about 30-100 nm,which are released by most living cells,and are made up of membrane structure with lipid bilayer and rich of functional contents.The tumor-derived exosomes were discovered for the first time in 1981.In recent 10 years,exosomes are found to contain functional proteins as well as functional nucleic acids,both of which acted as powerful promoters for tumor metastases.Depending on the unique way of loading and transporting proteins and nuclear acids,exosomes stably and effectively mediated intercellular communication.To better understand the mechanisms how exosomes promote tumor metastases might facilitate to identify the key issues for tumor metastases,which might further contribute to develop novel strategies to combat cancer metastases.

【Key words】tumor;metastases;exosomes

【中图分类号】R730.1;R730.7

【文献标识码】B

doi:10.3969/j.issn.1672-8467.2016.01.018

(收稿日期:2015-11-06;编辑:张秀峰)

△Corresponding authorE-mail:qinlx@fudan.edu.cn