外泌体通过PI3K/Akt信号通路调控细胞的作用

刘津 覃继新

【关键词】 外泌体;肿瘤;PI3K;Akt;作用机制

中图分类号：R730.5 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-1383.2021.01.015

外泌体是由细胞所产生的小体，在近年来的研究中发现外泌体能够传递信号分子，调控靶细胞的生理功能，在细胞的生长发展中起着重要作用。磷脂酰肌醇3-激酶（Phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B，PKB，也稱Akt）信号通路是一条经典的细胞信号通路，在肿瘤细胞的发生、发展、转移中发挥重要的作用。近几年发现外泌体可以通过PI3K/Akt信号通路，起到调控细胞作用的研究逐渐增多，我们对此进行总结。

1 外泌体的结构及功能

1.1 外泌体的结构

外泌体（exosome），又被称为腔内小泡（intraluminal vesicles，ILVs），是由各种细胞分泌，广泛存在于人体的囊泡状结构[1]，其被脂质双分子层膜包裹。在血浆、尿液、精液、唾液、支气管液、脑脊液、母乳、血清、羊水、滑膜液、眼泪、淋巴、胆汁和胃酸中都可检测到外泌体的存在[2]，外泌体经核内体途径形成，通常直径30～150 nm到40～200 nm不等[3～6]。外泌体形成后被多泡状小体（MVBs）所包裹，参与蛋白质的分类、回收、储存、运输和释放[4]，当MVBs与细胞膜融合后，外泌体就被释放到细胞外[6～9]。外泌体内含有mRNA、miRNA、DNA、蛋白质等多种具有生物活性的物质[10]。

1.2 外泌体的基本功能及应用

外泌体参与细胞间通讯、细胞维持和肿瘤进展，此外，已经发现外泌体通过充当抗原呈递小泡来刺激免疫应答[11～12]，在神经系统中，外泌体被发现有助于促进髓鞘形成、神经突生长和神经细胞存活，从而在组织修复和再生中发挥作用[13～17]。与此同时，中枢神经系统的外泌体被发现含有可能有助于疾病进展的致病蛋白，如淀粉样蛋白肽、超氧化物歧化酶和突触核蛋白[18～20]。肿瘤细胞分泌的外泌体携带特定的蛋白质、RNA或突变的基因序列，通过外泌体作用于对应的靶细胞，促进肿瘤的转移、增殖和发展[21]。随着研究的不断深入，人们发现外泌体常常携带某些疾病的特异性物质，从而作为疾病诊断的依据[22～26]。由于外泌体存在于体液，这就意味着可以通过低限度甚至无创操作的方法来诊断疾病或监测患者的治疗反应。外泌体的另一个潜在的应用是监测患者的疾病治疗的反应能力[27]，如果外泌体可以反映疾病的状态，而治疗是有效果的，外泌体则会表现出变化。基于外泌体具有抗原呈递的功能，且外泌体半衰期长，人体耐受好，能穿透细胞膜，并具有潜在的靶向特定细胞的能力，有人提出将外泌体应用于疫苗开发或其他免疫学目的[11～12]。此外，由于外泌体的这些优势，它们也是开发药物传递系统的理想材料[28]。虽然将RNA和蛋白质引入外泌体并通过外泌体将这些物质靶向传递到特定区域的方法仍在研究中，但外泌体能够装载蛋白质和遗传物质，是其成为具有吸引力的药物递送系统的另一个优势[29]。最后，已经证明间充质干细胞外泌体本身可以作为一种治疗实体，帮助减少组织损伤[30～34]。

2 PI3K/Akt的结构及基本功能

2.1 PI3K

PI3K属于原癌基因，是肌醇和磷脂酰肌醇的重要激酶，根据其结构和地位，分为3型，分别是Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。其中关于Ⅰ型PI3K最为深入的研究。Ⅰ型PI3K可以被受体酪氨酸激酶等激活。同时可以进一步分为ⅠA和ⅠB，其中ⅠA在肿瘤中表达较多。受体酪氨酸激酶可以激活ⅠA，ⅠB则是被G蛋白激活。ⅠA是由P85和P110组成，其中P85是调节亚单位，具有3种亚型（p85α、p85β和p85γ），分别由PIK3R1、PIK3R2和PIK3R3所编码。P110是催化亚单位，分为p110α、p110β和p110γ三种亚型，分别被PIK3CA、PIK3CB和PIK3CD编码[35]。

2.2 Akt

Akt是一种丝氨酸/苏氨酸激酶，是PI3K主要下游效应分子，属于ACG蛋白激酶家族。由大约480个氨基酸序列组成，分子量约57 kD，分为Akt1、Akt2和Akt3三种亚型，分别由3个不同基因所编码，称为PKBα、PKBβ和PKBγ。在结构上，Akt由3个亚基所组成，分别是N-末端的PH区，含核心激酶的CAT区域和C-末端的EXT区域。Akt主要存在于细胞浆内，当Thr308和Ser473两个重要位点磷酸化后，可以使Akt被激活。

2.3 PI3K/Akt基本功能

PI3K可以被蛋白酪氨酸激酶受体或G蛋白偶联受体所激活[36]。激活的PI3K会磷酸化质膜上的PI（4，5）P2，转化为第二信使PI（3，4，5）P3，使得Akt与PDK1结合，从而转移到质膜，被PDK1和mTORC2（the mammalian target of rapamycin complex 2）磷酸化，导致Akt的激活。而Akt被激活可以引起大量下游蛋白的磷酸化，比如糖原合成激酶3、叉头转录因子、西罗莫司靶蛋白复合物1等等，从而调节细胞的增殖扩散、新陈代谢等大量生理活动。PI3K/Akt通路在许多不同的恶性肿瘤的发生、增殖、生长、凋亡、侵袭、转移、上皮-间质转化、干细胞样表型、免疫微环境和耐药性密切相关[37]。

3 外泌体与PI3K/Akt的关系

目前发现外泌体中大量不同的miRNA可以抑制PI3K/Akt的上游抑制性蛋白PTEN，从而激活PI3K/Akt信号通路，起到保护细胞的作用。在组织细胞中表现出抗凋亡，促进修复的作用，而在肿瘤细胞中起到促进肿瘤细胞增殖、转移、生长及耐药的作用。

3.1 心肌细胞的保护及抗凋亡作用

ARSLAN[38]对C57BI6/J小鼠进行了30分钟的缺血再灌注，并在灌注前4分钟予以外泌体或生理盐水，结果显示外泌体可以减少45%的梗死面积，在试验后28天内的检查发现外泌体治疗的动物左心室功能及形态显著保留;同时再灌注一小时内用外泌体可以降低氧化应激，增加Akt磷酸化，降低局部及全身炎症，表明外泌体可以恢复细胞功能，减少氧化应激，增强心肌损伤后修复和功能保留。其他研究也显示来自间充质干细胞的外泌体，可以通过提高ATP水平，降低细胞的氧化应激，并激活PI3K/Akt通路的活性，增强心肌活力，从而预防和减轻心肌缺血再灌注损伤之后的不良重构。在SUN等[39]研究中，来自低氧预处理的脐带细胞分泌的外泌体，通过miR-486-5P可以激活PI3K/Akt通路又达到H9C2细胞增殖，起到抗凋亡作用，PI3K的特异性抑制剂LY294002可以抑制抗凋亡作用，从而证实了外泌体通过调控PI3K/Akt信号通路，起到抗凋亡的作用。而骨髓间充质干细胞来源的外泌体作用于心肌干细胞后可以通过miR-21抑制PTEN的表达，从而激活PI3K/Akt信号通路，保护心肌细胞免受氧化应激引发的凋亡，而PI3K/Akt信号通路的特异性抑制剂LY294002和miR-21抑制剂阻断该保护作用[40]。LIU等利用低氧预处理促进了人脐带间充质干细胞分泌的外泌体，然后将其提取，作用于缺血缺氧处理后的心肌细胞H9C2，发现外泌体可明显抑制缺血缺氧所诱导的H9C2细胞的凋亡，表现出抗凋亡作用，同时还发现外泌体降低LC3B-II/I 和 beclin-1的表达，激活PI3K/Akt/mTOR通路，而PI3K的特异性抑制剂LY294002可以减弱外泌体的抗凋亡作用，由此推測人脐带间充质干细胞的外泌体通过PI3K/Akt/mTOR通路调控细胞自噬，抑制缺血缺氧诱导的H9C2凋亡[41]。

3.2 组织修复增生

在骨创伤修复中，多能干细胞来源的外泌体可以被人骨髓间充质干细胞所摄取，然后通过激活PI3K/Akt通路，增强人骨髓间充质干细胞的增殖、迁移和成骨分化，增强hr-TCP的成骨诱导能力，从而促进骨组织的修复，进一步说明外泌体可以作为一种生物活性材料，提高生物材料的生物活性[42]。ZHANG 等[43]发现吸收脂肪干细胞来源的外泌体后，成纤维细胞的增殖和迁移表现出明显的剂量依赖性增长，同时在外泌体的作用下，成纤维细胞中Ⅰ型胶原、Ⅲ型胶原、MMP1、bFGF和TGF-271的mRNA及蛋白表达水平均明显升高，同时体外试验中发现p-Akt/Akt也明显激活，使用特异性PI3K的抑制剂LY294002可以明显抑制外泌体增多导致的各种改变，从而认为脂肪干细胞来源的外泌体可以通过PI3K/Akt信号通路促进伤口愈合与创面修复。YANG 等[44]将提取的脂肪干细胞来源的外泌体作用于BALb/c小鼠真皮创面以及人永生化角质形成细胞HaCaT细胞，结果发现相对于对照组外泌体可以明显改善BALb/c小鼠创面修复的水平，也能明显增强HaCaT细胞的迁移和增殖能力，而采用外泌体抑制剂GW4869后，细胞的迁移和增殖能力恢复到正常水平，同时TGF-β1与miR-21互相抑制，他们通过PI3K/Akt信号通路调节HaCat细胞中MMP-2和TIMP-1蛋白的表达，从而影响创面的修复与愈合。

3.3 肿瘤增殖转移

外泌体对肿瘤细胞的作用，更是获得了大量深入的研究。目前大量的研究报道认为外泌体可以增强肿瘤细胞的增殖与转移。在直结肠癌中研究发现，高转移性直结肠癌细胞的外泌体，作用于普通直结肠癌细胞后可以提高岩藻糖转移酶4（FUT4）的表达水平，而FUT4可以激活PI3K/Akt/mTOR信号通路，从而增强直结肠癌细胞侵袭和转移能力[45]。在胃癌细胞的研究中发现，提取胃癌细胞SGC7901的外泌体，可以明显增强SCG7901和BGC823细胞的增殖，同时导致Akt和细胞外调节蛋白激酶的激活，采用特异性抑制剂可以部分逆转外泌体的增殖，从而认为胃癌外泌体可以促进肿瘤细胞增殖，至少部分通过激活PI3K/Akt信号通路[46]。YANG等[47]提取了肿瘤相关成纤维细胞（CAFs）的外泌体，发现其可以被肺癌细胞所摄取，而该外泌体中miR-210表达水平明显提高，同时可以调控UPF1的表达水平，从而激活PTEN/PI3K/Akt信号通路，增强非小细胞肺癌细胞的迁移、增殖、侵袭能力。膀胱癌细胞T24的外泌体可以导致靶细胞中miR-21表达上调，抑制巨噬细胞中的磷酸酶并激活PI3K/Akt信号通路，导致肿瘤相关巨噬细胞M2极化，膀胱癌T24细胞迁移和侵袭能力明显增强[48]。

3.4 肿瘤细胞的多药耐药

肿瘤细胞的多药耐药是导致肿瘤治疗失败的重要原因。多药耐药的产生机制很多，近年来外泌体将耐药细胞的耐药性传递给敏感细胞的研究逐渐深入，显示了耐药细胞外泌体中的miRNA转移到敏感细胞中，通过上调PI3K/Akt通路，诱导肿瘤细胞耐药性。FU等[49]在肝癌耐药细胞株Bel/5-FU中发现miR-32-5表达明显上升，同时PTEN表达下降，过度表达的miR-32-5可以抑制PTEN的表达，从而激活PI3K/Akt通路，通过外泌体促进血管生成与上皮间充质转化，从而诱导多药耐药的产生。在非小细胞肺癌耐药机制的研究中发现，T790M突变而对EGFR 耐药的非小细胞肺癌H1975细胞的外泌体可以被敏感非小细胞肺癌细胞PC9所摄取，引起miR-522-3p的高表达，导致PC9的PI3K/Akt细胞信号通路明显被激活，从而表现出对吉非替尼的耐药[50]。

综上，我们可以看出，间充质细胞的外泌体具有修复组织、抗凋亡、增强细胞生存能力的作用，而肿瘤细胞外泌体也起着同样的作用，可以通过激活PI3K/Akt信号通路，调控下游蛋白，促进肿瘤的增殖、转移及耐药的作用。如何利用这一机制，促进创伤和创面修复，抑制肿瘤细胞的生长转移，逆转肿瘤细胞的耐药，是进一步研究的热点。

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（收稿日期：2020-09-03 修回日期：2020-09-14）

（編辑：梁明佩）