小身材，大作用——外泌體的前世今生

北京時間2013年10月7日，在卡羅琳醫學院的諾貝爾大廳，諾貝爾獎的評選委員會秘書長戈蘭·漢松宣布，將當年的諾貝爾生理學或醫學獎頒給三位杰出的科學家，即詹姆斯·E·羅斯曼(James E．Rothman)、托馬斯·蘇德霍夫(Thomas C．Südhof)以及蘭迪·謝克曼(Randy W．Schekman)，以表彰三人共同解答的一個科學問題：細胞如何組織運轉其內部的一個重要的傳輸系統——囊泡傳輸系統?也正是他們的研究成果以及諾貝爾獎的巨大影響力，使小小的囊泡被納入更多研究者的視線，隨著后續進行的深入研究，如今這個小小的囊泡已然裝滿了大大的學問，其研究方向涵蓋干細胞、免疫、靶向給藥、非編碼RNA(如微小RNA)、生物標記物、腫瘤治療等熱門研究領域，而其研究前景仍在被不斷地開發。外泌體是目前這類囊泡傳輸系統中的研究熱點，本文將就此介紹外泌體的前世今生。

圖1    2013諾貝爾生理學或醫學獎

早在1986年，Eberhard G．Trams和R．M．Johnstone兩位科學家在體外培養的綿羊紅細胞的培養基上清液中發現了一種具有膜結構的小囊泡，并將其命名為Exosome（外泌體）。在外泌體被發現的最初十幾年中，它的生物學作用一直沒有引起科學家的重視，甚至被認為是細胞產生的“垃圾"。直到1996年，有科學家發現B淋巴細胞能夠分泌抗原呈遞外泌體，這種外泌體攜帶有MHC-II類分子、共刺激因子和黏附因子，能夠直接刺激效應CD4陽性的細胞產生抗腫瘤效應。隨后，越來越多的研究發現，外泌體中包含有DNA片段、mRNA、微小RNA、功能蛋白、轉錄因子等多種具有生物活性的物質，而其本身的膜結構還能表達多種抗原、抗體分子，從而產生生物學效應。至此，一個在自然界默默傳輸關鍵生物信息的“快遞員"漸漸露出了真容。

目前，科學界將細胞外囊泡(extracellular vesicle)大致分為三大類：微泡(microvesicle)、凋亡小體(apoptotic body)和外泌體(exosome)(表1)。微泡是指由細胞分泌的一種直徑為100～1000nm的膜囊泡；凋亡小體是指細胞程序性死亡過程中所釋放的一種直徑為500～4000nm的膜囊泡；外泌體則是一種直徑為30～100nm、主要由細胞內多泡體與細胞膜融合并釋放到細胞外基質中的膜囊泡，后者在電鏡下表現為脂質雙層包裹的扁平球體，呈特征性的杯狀外形。同源性的外泌體形態均一、大小相近，而不同來源的外泌體直徑可略有不同。

表1    各種細胞外囊泡的區別

外泌體的形成是一個復雜而有序的動態過程。當活細胞經胞吞作用攝入外源性物質后，會在細胞內形成早期核內體(early endosome，EE)，EE通過囊膜內陷、突入形成多個小囊泡，在選擇性地接收細胞胞漿內的核酸、蛋白及脂質等物質后形成多泡內核體(multivesicular endosome，MVE)。后者主要有三個去向：①與溶酶體融合，最終被消化；②在接受病理性刺激后，MVE中的小囊泡與細胞膜融合，并將內容物表達在所在細胞的表面；③MVE與細胞膜融合后將小囊泡釋放到細胞外基質中形成外泌體（如圖3）。

圖3    外泌體的形成

由外泌體的形成過程可以看出，外泌體的內含物在MVE的形成時期就已經初步確定。蛋白是外泌體內含物中的一大類物質，其含量與種類相當豐富。外泌體包含的蛋白可分為兩類：一類是在外泌體普遍表達并可作為標記物用來識別外泌體的蛋白，包括熱休克蛋白、TSGl01、Alix、Foltillin、Rab蛋白等膜轉運和膜融合蛋白以及四跨膜超家族(tetraspanin)的成員CD9、CD63、CD81蛋白分子；另一類是不同來源、不同環境外泌體各自擁有的特異性蛋白，如T細胞來源的外泌體可攜帶CD3分子，神經元來源的外泌體可表達谷氨酸受體等。除蛋白以外，外泌體包含的另一大類重要物質就是核酸，包括DNA、mRNA、微小RNA、lncRNA等。外泌體所攜帶的核酸、蛋白等分子賦予外泌體豐富的生物學信息，通過外泌體傳輸到其他細胞發揮特定的生物學效應（圖4）。

圖4    外泌體結構與內容物

三、外泌體的作用

目前認為外泌體產生生物學效應的方式主要有兩種：其一，外泌體可以通過其表面的蛋白分子或脂質配體直接激活目標細胞表面的受體；其二，外泌體可以與受體細胞的質膜融合并進入細胞，將自身包含的核酸、蛋白、脂質等分子釋放入受體細胞，進而調控細胞的功能及生物學行為。外泌體在體內各個系統的生理學和病理生理學過程中發揮著重要的調控作用，是研究疾病發病機制和疾病治療的重要靶點。這一類研究旨在尋找疾病發生發展的機制，干預疾病發展的過程。隨著某些疾病的發生發展，外泌體包含的某些分子的表達量也會有不同程度的改變，這使得外泌體(包括循環血外泌體)有望成為診斷疾病、評估治療反應性和患者預后的潛在生物標記物（圖5）。

圖5    外泌體的潛在應用

參考文獻：

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