外泌体调控脂代谢的研究进展

刘亚楠

摘 要：外泌体可以诱导多种miRNAs调节脂代谢。通过分析外泌体和脂代谢之间的关系，发现外泌体参与脂质的合成、脂质运输和脂质降解。探讨外泌体miRNAs调控脂代谢的相关机制，发现miR-122，miR-192，miR-27a-3p和miR-27b-3p是外泌体调控脂代谢紊乱的标记物，靶基因Ppara很可能是目前观察到的显性基因中的核心基因。这一发现，有望为更好地解决脂代谢障碍的病因提供帮助，为将其作为新的靶点来源或新的治疗策略提供参考依据。

关键词：外泌体;miRNAs;脂代谢

中图分类号：G804.5 文献标识码：A 文章编号：1009-9840（2021）01-0060-04

Abstract： Exosomes can induce a variety of miRNAs to regulate lipid metabolism. This article reviewed the relationship between exosomes and lipid metabolism and found that exosomes are involved in lipid synthesis， lipid transport and lipid degradation. To explore the relevant mechanisms of exosomal miRNAs regulating lipid metabolism， it was found that miR-122， miR-192， miR-27a-3p and miR-27b-3p are markers of exosomal regulation of lipid metabolism disorders， and the target gene Ppara is likely to be the core gene among the dominant genes currently observed. This discovery is expected to provide help for the study of exosomal miRNAs to better solve the cause of lipodystrophy and to provide reference for using it as a new target source or new treatment strategy.

Key words： exosomes; miRNAs; lipid metabolism

外泌体可以被受体细胞捕获，其中所含的miRNA可能会诱导转录组变化，从而成为一种新型的细胞间通讯形式。外泌体miRNA已显示参与肿瘤进展，血管生成和转移，然而，关于它们在代谢疾病中的作用研究还相对较少[1， 2]。肥胖是世界上最常见的代谢性疾病之一，预计到2050年将影响近三分之一的人口[3]。肥胖人口的不断上升，脂代谢紊乱是主要的潜在原因之一。因此，调控脂代谢的稳态就变得至关重要。最近研究证明，脂肪释放的外泌体miRNA可以调节其他组织中的基因表达[4]。本研究通过综述外泌体和脂代谢之间的关系，探讨外泌体miRNAs调控脂代谢的相关机制，为外泌体miRNA的研究有望更好地解决脂代谢障碍的病因提供帮助，为将其作为新的靶点来源或新的治疗策略提供参考依据。

1 外泌体概述

1.1 外泌体的形成

多泡体（MVBs）是晚期核内体，携带许多“管腔核内体囊泡”。一些MVBs注定会在溶酶体中降解，而另一些MVBs则与细胞膜结合并释放胞内囊泡到细胞外空间。在释放的载体中，直径30～120 nm的较小载体称为外泌体;而直径在120～1000 nm的较大载体称为微泡[5]。外泌体的形成涉及转运所需的内体分选复合物（ESCRT），其识别泛素化的蛋白质。除ESCRT外，其他与ESCRT无关的机制也可产生某些生化成分的外泌体[6]。

1.2 外泌体的组成

外泌体的组成具有独特性和复杂性。最新的外泌体内容数据库，已在多种生物的外泌体中鉴定出4563个蛋白、194个脂质、1639个mRNA和764 miRNA[7]。外泌体中最常见的蛋白质是膜转运蛋白、融合蛋白（GTP酶，膜联蛋白和弗洛林）、热休克蛋白（HSC70）、四跨膜蛋白（CD9， CD63， and CD81）、MVB生物发生蛋白（TSG101）以及和脂质相关的蛋白质和磷脂酶[8]。这几种蛋白质被认为是特定的外泌体标记，其中四跨膜蛋白CD63和CD81是最常用的。外泌体也富含脂质，主要是胆固醇，鞘脂，磷脂和双膦酸盐。外泌体脂质成分可以从树突状细胞和肥大细胞[9]、网织红细胞（Proteomic analysis of secreted exosomes）和B淋巴细胞[10]等几种细胞类型中分泌出来。 一些报道表明，外泌体的某些脂质成分，例如磷脂酰丝氨酸[10]和前列腺素[11]，可能在外泌体功能中起重要作用。外泌体含有mrna和miRNAs的发现表明，外泌体可能是遗传信息的载体。尽管外泌体中发现的大多数RNA是长度小于200个核苷酸的降解RNA片段，但仍可能存在一些全长RNA，并通過内吞作用转运至受体细胞，可能影响受体细胞中蛋白质的生成。同时，已发现外泌体miRNA与某些疾病有关。例如，一些研究已经注意到，循环外泌体的miRNA含量与其原发癌细胞的miRNA含量相似，这表明外泌体miRNA具有癌症诊断的潜力[12]。此外，越来越多的研究报道，miRNAs可以从非侵入性获得的体液（如唾液）中分离出来的外泌体中检测到，显示了作为新的生物标志物的外泌体miRNAs的潜在优势[13， 14]。

1.3 外泌体的功能

外泌体可以与受体细胞融合并释放其内容物，通过将蛋白质、RNA和脂质的细胞成分从一个细胞转移到另一个细胞，外泌体在细胞间通信中发挥着重要作用[15]。大量文献表明，外泌体表现出广泛的功能，这取决于它们的细胞或组织来源，例如脂肪细胞产生的外泌体可诱导肝细胞转化生长因子β通路失调，为研究非酒精性脂肪肝病的发病机理提供了思路[16， 17]。此外，由于外泌体的分子组成反映了其细胞或组织起源的生理或病理生理变化，因此外泌体具有作为疾病诊断的生物标志物的重要潜力。

2 外泌体参与脂代谢

外泌体与无核细胞一致，是具有蛋白质和丰富脂质组成的脂质双分子层的细胞器，增强其刚性和灵活性。邻近的细胞或远处的细胞能够通过外泌体与受体细胞结合并释放生物活性分子，如脂类、蛋白质和核酸，来交换遗传或代谢信息。最近的发现已经证实外泌体作为生物载体直接转移胆固醇、脂肪酸和二十烷类脂质。一些酶（蛋白质）也被包裹在外泌体中并参与脂质代谢，特别是外泌体中的miRNAs受到了更多的关注。外泌体通过携带的miRNAs保护自己免受核糖核酸酶的伤害[18]。值得注意的是，外泌体对脂质代谢具有显著的作用，包括脂质的合成、运输和降解。外泌体介导的脂质代谢紊乱导致动脉粥样硬化、非酒精性脂肪肝、肥胖等疾病的发生和发展[19]。因此，脂质及其修饰蛋白、酶和miRNA可以与外泌体进行串扰。

2.1 外泌体参与脂质合成

众所周知，脂肪酸和胆固醇的生物合成是一个巨大的能量消耗过程，需要大量的乙酰辅酶A、ATP和氧气。肝脏脂肪酸合成紊乱可引起肝细胞疾病，如肝细胞损伤和炎症。PPAR-γ是核超受体家族的成员，可以通过代谢相关基因的转录，严格调节肝脏中脂质的摄入、储存和代谢。 更重要的是，在没有PPAR-γ的情况下，没有单一核转录因子可以诱导脂肪细胞分化[20， 21]。外泌体中的一些循环miRNA，例如miR-155和miR-27，能够通过结合靶基因的3'非翻译区（3'URT）来抑制PPAR-γ表达[2]。其中miR-122属于丰富的肝脏特异性miRNA。研究发现，上调基因的3个UTR，如脂肪酸合酶（FASN）和乙酰辅酶a羧化酶（ACC），在miR-122识别基序中高度富集，从而增加了肝脏中脂肪酸和胆固醇的生物合成[22]。值得注意的是，低氧脂肪细胞释放的外泌体富含与新生脂肪形成有关的酶，例如ACC，葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G6PD）和FASN。与在常氧条件下产生的脂质相比，低氧来源的外泌体促进受体3T3-L1细胞中脂质的积累[23]。与此同时，糖基磷脂酰肌醇（GPI）锚定的蛋白从脂肪细胞来源的外泌体释放到小脂肪细胞，增加酯化，降低三酰基甘油脂肪酸，促进脂滴的形成[24]。

2.2 外泌体参与脂质运输

最近研究表明，外泌体能够将脂质从母细胞直接转运到受体细胞，例如胆固醇，脂肪酸，类花生酸等，这可能会引起炎症，免疫或代谢改变[25]。Wang等人[26]也证实了在阿尔茨海默病的发展过程中，星形细胞来源的外泌体携带神经酰胺，神经酰胺的积累导致神经细胞凋亡。然而，越来越多的报道提供了惊人和令人信服的证据，证明外泌体可以调节经典脂质转运体的表达，如ABCA1， ABCG1， LDLR， CD36。逆向胆固醇转运是目前唯一清除体内胆固醇的机制，对维持体内胆固醇稳态有积极意义。ABCA1、ABCG1主要参与逆向胆固醇转运。在巨噬细胞和血管平滑肌细胞（VSMCs）中特异性敲除ABCA1或ABCG1可促進LDLR /小鼠胆固醇外排不足引起的泡沫细胞形成。外泌体中的一些循环miRNA，如miR-30e和miR-92a，对ABCA1和ABCG1具有抑制作用，导致细胞内胆固醇的积累，而内脏脂肪组织可通过下调ABCG1表达，促进巨噬细胞源性泡沫细胞的形成[27]。几项研究还表明，外泌体不是通过竞争性CD36配体来抑制巨噬细胞中的胆固醇吸收，而是通过大幅减少总巨噬细胞CD36来抑制胆固醇的吸收。 来源于血小板的外泌体可通过减少巨噬细胞的CD36依赖性脂质负荷和抑制血小板血栓形成来抑制动脉粥样硬化血栓形成过程。Srikanthan等人[28]还证实外泌体可以增加蛋白质泛素化并增强CD36的蛋白酶体降解。此外，Ramakrishnan等人[29]发现外泌体通过激活CD36依赖的信号通路抑制内皮细胞促血管生成反应，而CD36的缺失会削弱外泌体诱导的对微血管内皮细胞迁移的抑制。

2.3 外泌体参与脂质降解

众所周知，白色脂肪组织主要负责储存能量。白色脂肪组织的降解为细胞生长和增殖提供了足够的能量，特别是在癌症和癌症相关恶病质中。Lewis肺癌（LLC）来源的外泌体具有较高水平的磷激素敏感脂肪酶（P-HSL，激活脂解的标记物）。暴露于LLC外泌体的3T3-L1脂肪细胞表现出较高的甘油释放水平和较低的脂滴水平[30]。Sagar等人[31]研究发现，胰腺癌（PC）来源的外泌体含有肾上腺髓磷脂，这是一种52种氨基酸肽，在脂肪细胞中广泛表达，可诱导脂肪分解。肺癌外泌体可被人脂肪来源间充质干细胞（hAD-MSCs）内化，并显著抑制hAD-MSC的脂肪形成。具体来说，肺癌外泌体参与了TGF调节因子信号通路对hADMSC脂肪形成的抑制。与此同时，Khalyfa等人[32]发现，来自阻塞性低通气综合征的外泌体导致脂肪细胞脂肪分解显著增加。PPAR-α是核超受体家族的另一个成员，主要参与脂肪酸的降解。 血浆中的一些循环miRNA，例如miR-122，miR-192，miR-27a-3p和miR-27b-3p，也通过与3'URT结合而抑制PPAR-α的表达，进一步抑制肥胖相关患者机体组织白色脂肪中的脂质降解。

3 外泌体可作为脂代谢紊乱的标志物

肥胖经常与代谢疾病有关。Anna等人[3]研究显示肥胖会改变小鼠血浆外泌体的miRNA谱，包括增加miR-122，miR-192，miR-27a-3p和miR-27b-3p。不仅如此，用从肥胖小鼠中分离出的外泌体来注射到瘦小鼠体内（模拟处理小鼠）会引起葡萄糖耐量下降和胰岛素抵抗，并导致向心性肥胖和肝脂肪变性。在处理模拟处理小鼠白色脂肪组织中还发现候选靶基因Ppara的表达降低，但在肝脏组织中表达没有降低，这种情况可能会导致循环中游离脂肪酸水平升高以及提高患高甘油三酯血症的风险。其他研究表明，外泌体还可以在器官之间转移成熟的miRNA，从而改变接收细胞功能[4]并影响全身胰岛素敏感性[2]，同样发现肥胖会改变小鼠外泌体miRNA的表达，外泌体miR-192和miR-122的增加，这与Anna等人研究结果一致，表明这两种miRNA作为参与胰岛素抵抗的循环因子发挥了重要作用。 目前研究无法确定提供肥胖外泌体miRNA的主要来源，但许多研究表明指向了附睾脂肪。

Costet等人[33]用與Anna等人相同的方法模拟处理小鼠，试验后发现模拟处理小鼠保持苗条，但表现出明显的附睾脂肪库的扩大，曲线下的附睾脂肪百分比与血糖之间有很强的相关性，这表明，这些模拟处理小鼠的葡萄糖耐量与中央型肥胖有关，而与总体重无关。并证明血浆中miR-122和miR-192的丰度与人的腰围和内脏脂肪量以及TG/HDL比的增加有关。还发现，抑制miR-122会降低小鼠的胆固醇和肝脂肪酸合成，而miR-27a-3p和miR-27b-3p参与脂肪功能的调节，提高miR-27表达会增加甘油三酯的表达水平。模拟处理小鼠在附睾脂肪中显示成脂基因和脂肪酸氧化通路表达下降，与巨噬细胞浸润和组织扩大有关，也与血浆游离脂肪酸水平升高，肝DNL基因和脂质的积累相关，以及Ppara基因表达降低，可能导致损害脂肪酸氧化过程，增加游离脂肪酸向外周的递送。Shah等人[34]为了进一步证明附睾脂肪和Ppara基因的作用，Shah等人使用两种替代策略，均旨在降低血浆游离脂肪酸水平。同时给予模拟处理小鼠脂解抑制剂阿西莫司，然后通过强制将其储存在附睾脂肪中来减少游离脂肪酸释放到血液中去，或PPARα激动剂非诺贝特增加氧化作用[35]，试验后发现，两种策略均可恢复胰岛素敏感性并显着改善小鼠的葡萄糖耐量。因此，非诺贝特被证明可以改善高甘油三酯血症患者的胰岛素敏感性[36]。PPARα的激活足以恢复模拟处理小鼠的病理表型，即使因子水平降低了。这些结果数据，同样支持Anna等人的观点，表明外泌体中的miRNAs可以作为脂代谢紊乱的标记物，其中所调控的靶基因Ppara，很可能是目前观察到的显性基因中的核心基因。

4 小结与展望

外泌体对脂代谢的调节是一个极其复杂过程，是调节脂代谢的重要途径之一，miR-122，miR-192，miR-27a-3p和miR-27b-3p是外泌体调控脂代谢紊乱的标记物，靶基因Ppara很可能是目前观察到的显性基因中的核心基因，对脂代谢通路的信息整合及调节信号的输出途径起到不可忽视的作用。外泌体可以诱导机体miRNAs的表达水平，同时也是改善血脂异常、降低体重和影响机体脂代谢能力的有效手段。但是，外泌体调控脂代谢的具体机制尚不明了，还处于起步阶段，需要进一步研究外泌体调控脂代谢的机制，探索外泌体调控脂代谢的变化及原因，从而为解决超重与肥胖问题提供理论依据。

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