外泌体与脂质代谢的相互作用

程 琳,许泼实

(1.河南中医药大学,河南 郑州 450008;2.阜外华中心血管病医院,河南 郑州 451464;3.河南省人民医院,河南 郑州 451464)

外泌体是直径为30～150 nm,由脂质双层膜包裹构成的囊泡,可以由多种细胞分泌,且广泛存在于各种体液中。外泌体通过靶向地与受体结合,将自身内容物导入受体,可改变受体的生理过程。外泌体的脂质双层膜具有细胞膜类似的功能,能够保护外泌体内的脂质、核酸、蛋白质和其他细胞因子不受各种外界因素的影响。目前关于外泌体的研究主要集中于阐明外泌体在一系列病理过程中的细胞通讯作用,通过组学分析获取外泌体内主要表达的和可变表达的生物活性物质是外泌体的研究重点[1]。而关于外泌体介导维持体内平衡和调节生理功能的研究较少。作为理想的生物标志物,外泌体转移内容物的能力为未来治疗疾病提供了无限的可能性。相关研究表明,外泌体参与脂质代谢、维持体内脂质稳定,与脂质代谢紊乱导致的疾病有关[2]。本文主要探讨外泌体与脂质代谢的相互作用。

1 外泌体在脂质代谢中的作用

脂质代谢紊乱是由细胞接触可溶性载体或脂蛋白结合的生物活性脂质交换介导的细胞通讯所导致的,不仅会引起肥胖、脂肪肝、动脉粥样硬化和神经退行性疾病,也与肿瘤的转移相关。外泌体可以介导细胞间通讯,其携带的生物活性物质加强了其在脂质代谢中的潜在作用。外泌体可以被脂肪细胞摄取,并且诱导细胞发生脂解[3]。而非典型鳞状细胞外泌体可以通过增加表皮脂质神经酰胺的含量影响特发性皮炎病变区域的皮肤屏障,减轻炎性反应[4]。因此,循环外泌体可以称为人类脂质代谢的生物标志物[5]。外泌体通过其内容物参与脂质代谢,下文中将分别从外泌体运载的物质介绍其在脂质代谢中的作用。

1.1 外泌体通过携带的脂质参与脂质代谢 外泌体中含有丰富的脂质种类,而此类脂质具有物种特异性,与其来源细胞的脂质组成类似但不完全相同。外泌体作为生物载体,可以直接转运胆固醇、脂肪酸和二十烷类化合物等脂质物质到受体细胞[6]。一些新型的技术可以应用于外泌体的研究,如通过拉曼光谱对比外泌体内脂质成分的含量,可以判断疾病的严重程度,也可以成为疾病诊断的标志物。癌细胞的外泌体谱为诊断提供补充信息,通过对卵巢癌细胞和卵巢表面上皮细胞来源的外泌体的脂质进行分析,发现外泌体脂质在肿瘤的侵袭转移中发挥重要作用,更具侵略性的肿瘤的外泌体中含有更多的脂质[7]。肿瘤来源的外泌体(TDEs)中含有大量的脂肪酸,骨髓源性树突状细胞(BMDCs)内化TDEs,就会发生时间和浓度依赖性的脂质积累,导致肿瘤浸润性树突状细胞功能障碍[8]。外泌体中含有具有生物活性的脂质,如花生四烯酸、前列腺素,从巨噬细胞中释放到癌症微环境中,参与癌症的转移和发生,抑制肿瘤细胞来源的外泌体可能是治疗肿瘤相关性恶病质的新方法。哮喘病患者气道外泌体中神经酰胺、磷脂酰甘油与健康受试者存在显著差异,暴露于二手烟的受试者,与健康受试者相比脂质成分也会有明显变化[9]。脂肪来源的细胞释放的外泌体充满脂质,可使受体细胞积累脂质呈现多核细胞状态[10]。外泌体的脂类可以改变细胞功能,其脂质含量可以判断外泌体来源,帮助外泌体分类鉴别,也能体现出亲本细胞状态,外泌体中脂质的改变有助于疾病的诊断和治疗。

1.2 外泌体通过携带的核酸参与脂质代谢 外泌体携带微小核糖核酸(miRNAs),可以使这些miRNAs在血液中循环,同时避免血液核糖核酸酶活性降解并转移到受体细胞,进而改变受体细胞的基因表达和表型[11]。外泌体miRNAs已经被证明参与肿瘤进展和转移,这些短的非编码RNA参与了从发育和代谢调节到疾病发展的广泛的生物学过程,但其在脂质代谢过程中的研究较少。近期研究发现,脂肪细胞来源的外泌体中的miRNAs可以调节其他组织的基因表达。通过外泌体中的miRNAs的研究,可以更好地了解脂质代谢的过程,并将其用作诊断和治疗的生物标志物。不同来源的外泌体中含有差异性的miRNA都具有调节脂质代谢的功能,如来自肿瘤外泌体的miR-155通过下调过氧化物酶体增殖物激活受体-γ(PPAR-γ)的表达来调节脂肪细胞的能量代谢[12],而miR-155过表达的成熟脂肪细胞中脂滴会减少。miR-122上调脂肪酸合成酶(FASN)和乙酰辅酶A羧化酶(ACC)基因的非编码区,从而增加肝脏脂肪酸和胆固醇的生物合成。外泌体中高水平的miR-122与非酒精性脂肪肝密切相关,充足的miR-122导致胆固醇和脂肪酸显著增加。来源于骨髓间充质干细胞的外泌体miR-124a可以沉默巨噬细胞,导致细胞内脂质堆积。用外泌体中的miR-199a处理小鼠会导致小鼠肝脏中脂质积聚,细胞和血浆中的三酰甘油均明显增加[13]。血浆外泌体的miR-223与大腿脂肪增加有关,且可以改变血浆代谢和脂蛋白谱。外泌体中循环的miR-33参与脂质代谢,抑制miR-33可以提高高密度脂蛋白的水平[14]。巨噬细胞外泌体中miR-210在高糖的刺激下,其含量显著增高,miR-210通过损伤线粒体的功能导致脂肪酸分解减少,促进白色脂肪细胞内脂质的积累。从大脂肪细胞释放的外泌体miRNAs可以转移到小脂肪细胞,刺激脂肪生成和脂肪细胞肥大[15]。研究外泌体中的miRNAs,可以在分子层面揭示脂质代谢的机制,探究脂质代谢相关的信号通路,对于疾病的诊断和治疗都提供了新思路。

1.3 外泌体通过携带的蛋白质参与脂质代谢 外泌体中富含与新生脂肪生成相关的酶,如ACC、葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(G6PD)和FASN,产脂酶转移到受体细胞促进脂质积累[16]。循环中的外泌体表达功能性脂肪酶转位酶(CD36)介导其对游离脂肪酸的摄取[17]。棕色脂肪组织来源的外泌体将含有线粒体成分的功能蛋白转运到受体细胞,参与分解代谢,可以减少肝脏中脂肪沉积[18]。外泌体富含与脂肪酸氧化有关的蛋白质,参与了脂肪细胞和癌细胞之间的相互作用,增强肿瘤细胞的侵袭性[19]。白三烯是促进粒细胞迁移的脂质介质,在巨噬细胞产生的外泌体中发现了能够产生白三烯的酶,参与白三烯的生物合成[20],促进靶细胞的炎性反应。肿瘤来源的外泌体中富含磷脂酰丝氨酸和酸性鞘磷酶,具有保护肿瘤逃避治疗的作用[21]。通过研究外泌体中的蛋白质,可进一步了解外泌体在脂质代谢中的作用。

1.4 外泌体通过携带的其他细胞因子参与脂质代谢外泌体能够产生肿瘤坏死因子-α(TNF-α),诱导巨噬细胞胆固醇积聚[22]。外泌体可被人脂肪源性间充质细胞(h AD-MSCs)内化,在外泌体中检测到转化生长因子-β(TGF-β),通过 TGF-β信号通路 介导抑制h AD-MSCs的脂肪形成,降低成脂转录因子、脂肪细胞特异性标志物PPAR-γ和脂蛋白脂肪酶的m RNA表达[23]。血浆外泌体中的转录释放因子增加了小鼠前脂肪细胞肥大衰老的发生,而肿瘤细胞来源的外泌体衍生的细胞因子如白细胞介素-6、TNF-α、干扰素-γ和蛋白分解诱导因子有助于脂肪的流失,扰乱新陈代谢[24]。对于外泌体中其他细胞因子的研究,为探索外泌体参与脂质代谢的途径提供新思路。

2 脂质代谢对外泌体的影响

2.1 脂质代谢影响外泌体的形成 外泌体的生物发生过程十分复杂,除了根据亲代细胞类型的不同,也容易受到外界因素的影响。外泌体的脂质膜是由鞘脂和胆固醇之间的相互作用形成的,脂质成分作为外泌体生物发生和功能的关键成分,其代谢会影响外泌体的形成。通过胆固醇处理后,外泌体发生富集,表明胆固醇会增加外泌体的释放,抑制鞘磷脂酶会导致外泌体的形成减少[25]。肥胖症小鼠外泌体的数量有升高的趋势,外泌体的组成也可能由于肥胖而改变,miRNA的表达也有所差异[26]。外泌体的形成都是由特定的脂质和与脂质代谢相关的酶来调节,二酰基甘油(DAG)和磷脂酸的调控被认为是蛋白质从高尔基体转运到质膜的关键因素,二酰基甘油激酶α通路的过度激活会抑制外泌体的分泌,因此抑制此通路将会提高外泌体的分泌[27]。外泌体相关结构域进入核内体管腔,不仅依赖于内吞体分选转运复合物的功能,还需要鞘磷脂神经酰胺,中性鞘磷脂酶抑制后,外泌体释放随之减少[28]。酸性鞘磷脂酶的激活,是释放外泌体的必要条件,而神经酰胺的生成是外泌体脱落的必要条件。轻度氧化的高密度脂蛋白可以改善血小板的脂膜,从而拮抗血小板外泌体的释放。细胞受到刺激时,会触发磷脂酶D2(PLD2)从质膜转位到细胞内腔,转移到外泌体释放,活性PLD2的过表达会增加外泌体的释放,这可能与PLD2参与外泌体的形成有关[29]。植物提取的神经酰胺可以增加神经元释放外泌体,导致神经元和胶质细胞培养系统中的细胞外淀粉样蛋白(Aβ)水平降低,防止Aβ聚集,可能对预防痴呆症有一定作用。脂质不仅是人体需要的重要营养物质,也是生物膜的重要组成成分。因此,脂质代谢对于维持外泌体的正常结构有着重要的作用。

2.2 脂质代谢影响外泌体的功能 外泌体的摄取依赖于称为脂筏的富含胆固醇的膜微区,与胆固醇和酪氨酸激酶活性有关,可被血浆膜胆固醇的非特异性消耗所阻断。清道夫受体是一种富含胆固醇的高密度脂蛋白的受体,其介导的胆固醇外流可以抑制受体细胞对外泌体的吸收。胆固醇的存在对外泌体的摄取不可或缺,使用一种3-羟基-3-甲基戊二酰基辅酶A还原酶抑制剂预处理细胞,可以呈现剂量依赖性地抑制外泌体的摄取。黑色素瘤来源的外泌体可以下调Ⅰ型干扰素受体和干扰素诱导的胆固醇25-羟化酶(CH-25 H)的表达,CH-25H产生的25-羟基胆固醇可以抑制黑色素来源外泌体的摄取功能[30]。

外泌体的脂质双层结构可以保护和转移外泌体内的生物活性分子。外泌体膜与原始细胞类似,具有无限靶向的可能性,其膜结构和组成可以逃脱免疫监控,外泌体的脂质成分影响外泌体脂质膜的完整性,也会影响外泌体的摄取。在脂质代谢紊乱的条件下,发现外泌体中的蛋白质和脂质成分均存在差异。外泌体的摄取可能与胆固醇代谢的相关途径有关,高胆固醇的环境下外泌体更加活泼更容易被正常细胞摄取,在低胆固醇条件下,内吞作用会受到抑制[31]。脂质参与信号传递可以影响外泌体的功能,同时作为外泌体膜的组成成分,脂质代谢紊乱也会影响外泌体的功能。

3 结论

外泌体作为新型的细胞间运输载体,对于外泌体的研究可以更好地了解疾病,并为疾病的发生和发展提供新的研究视角。脂质代谢可以影响外泌体的合成和分泌,外泌体通过携带的生物活性分子,参与脂质的形成、运输和降解,从而影响脂质代谢。质谱技术的广泛应用,可以发现外泌体组学差异,对来自不同病理条件下的外泌体进行分析,可以监控特定的病理生理状况,了解疾病发展过程中脂质的具体变化,阐明外泌体不同组织的特定关系及介导的特定表型,对于疾病未来的转化、进展和治疗至关重要。血清中分离的外泌体可以发现占据主导地位的转录本,然而目前的研究却主要集中于阐明外泌体作为细胞通讯载体在病理变化过程中的作用,对于外泌体参与体内代谢的研究较少,且外泌体的组学分析存在许多问题,也缺乏更精密的仪器和检查方法。因此,应研究和探索新的研究方法,为循环外泌体作为脂类相关疾病生物标志物,以及检测、量化和调节外泌体为脂类疾病的诊断和治疗提供可靠的依据。