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【综述】外泌体在免疫系统中的作用

2019-12-05

 

 

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  本文由金泽大学医学系免疫学华山力成教授执笔,收录于和光纯药时报Vol.84 No.1(2016年1月号)


◆前言

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图1. 外泌体在免疫系统中的作用


  在我们的身体中,大约有60万亿个细胞通过互相交流和交换信息来维持我们的生命活动。其中,各种细胞通过释放出一种被称为外泌体、直径为30~100 nm的小型膜囊泡来传递信息,近年来引起了广泛的关注。

  外泌体是被脂质双分子层膜包围的膜囊泡,在被称为多囊泡胞内体的细胞内囊泡中产生,多囊泡胞内体与细胞膜的融合后被释放到细胞外(图1)。

  外泌体中除了含有核内体来源蛋白(ESCRTs、TSG101等)、细胞内运输相关蛋白(Rab GTPase等)或细胞膜来源蛋白(CD63、CD81等)等分泌细胞来源蛋白外,还包含了分泌细胞的细胞膜和核内体膜来源的脂质(胆固醇、鞘磷脂等)1)

  多年来,外泌体一直被认为是将这些细胞内组分作为废物排出的一种机制,但近年的研究发现,外泌体是分泌细胞与靶细胞之间交换蛋白和脂质的重要媒介。免疫细胞来源的外泌体中含有抗原肽-MHC复合物和各种抗原,能够控制免疫细胞之间抗原信息的交换、免疫细胞的活化和抑制等多种免疫应答现象(图1)。

  研究还发现,外泌体内存在分泌细胞来源的mRNA和miRNA,能够参与细胞间遗传信息的传递与控制。在本文中,我们主要阐述外泌体在免疫系统中的作用,以及至今的研究发现和未来的研究前景。


◆抗原提呈中外泌体的作用

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图2. 免疫系统中外泌体的组成分子


  树突状细胞是免疫系统中分泌外泌体最活跃的细胞。树突状细胞是抗原提呈细胞的一种,能通过吞噬入侵体内的细菌等异物,在切断抗原肽后,与 MHCⅡ类分子结合并提呈在细胞表面来激活T细胞。

  此外,细胞内的抗原肽利用MHCⅠ类分子提呈,树突状细胞分泌的外泌体携带MHCⅠ类和Ⅱ类分子(图2),它们分别与抗原特异性CD8+细胞杀伤性T细胞、CD4+辅助T细胞的T细胞受体结合,在远离树突状细胞处也可以激活T细胞。

  然而,由于激活T细胞的重要共刺激分子在外泌体表面的表达量比在树突状细胞表面的表达量低,因此,与树突状细胞直接激活T细胞的情况相比,外泌体的激活能力要低5~10%。外泌体不仅能通过运输抗原肽-MHC复合物来实现直接的抗原提呈作用,还可通过渗入其他抗原提呈细胞,将抗原传递给细胞内的MHC分子,间接促进抗原提呈作用2)

  外泌体除了含有抗原肽-MHC复合物外,还含有各种分泌细胞来源的抗原,可运输至抗原提呈细胞(图2)。

  例如,在癌细胞来源的外泌体中含有癌细胞来源的各种蛋白质,它们被树突状细胞摄入后,通过抗原蛋白的分解和MHCⅠ类分子的交叉呈递,激活具有癌细胞特异性的细胞杀伤性T细胞3)

  通过利用这个机制,可以开发癌细胞来源的外泌体抗肿瘤免疫疗法。巨噬细胞等吞噬细胞来源的外泌体中含有吞噬的细菌来源的抗原,通过外泌体将这些抗原转移到抗原提呈能力更强的树突状细胞中,可促进T细胞的有效激活4)。有望利用这个机制,开发有效的疫苗。


◆通过外泌体传递RNA

  外泌体不仅含有蛋白质抗原,还含有分泌细胞来源的mRNA或non-coding RNA(特别是miRNA),其功能引起广泛关注5)。外泌体的脂质双分子层膜可保护这些RNA,不被RNase分解,在血液、体液中稳定存在。在外泌体及其分泌细胞中均可检测出RNA,也存在仅能在其中之一检测出RNA的情况,因此我们设想存在一种可以选择性将特定的RNA吸收至外泌体的机制。

  进入靶细胞的外泌体与核内体膜融合,将其运载的RNA释放至靶细胞的细胞质中。释放出来的mRNA被翻译成蛋白质,而miRNA却抑制靶基因的翻译,因此表明外泌体可以调节靶细胞内的基因表达。

  在免疫系统中,设想这个机制是遭遇外敌入侵的免疫细胞通过RNA向未遭遇入侵的细胞水平传递自身的活性状态,二者可以共同作为抵御外敌入侵的一种手段。


◆外泌体的免疫应答调节

  外泌体装载着各种免疫相关分子,通过这些分子来调节免疫应答。例如,在细胞杀伤性T细胞或者自然杀伤性细胞来源的外泌体上,携带Fas配体、TRAIL、CD40配体等TNF家族蛋白,可诱导靶细胞凋亡6)(图2)。

  有报道称,癌细胞中也可以释放装载着Fas配体或TRAIL等的外泌体,诱导免疫细胞凋亡,使癌细胞免受免疫细胞的攻击7)。一般情况下,TNF家族蛋白以膜结合形式产生,被膜型金属蛋白酶切割后转变为可溶性蛋白。膜结合蛋白主要担负诱导细胞凋亡的功能,但可溶性蛋白的活性较弱8)

  外泌体上的TNF家族蛋白不能被膜型金属蛋白酶切割,故较为稳定,同时借助膜形成三聚体,具有很强的诱导细胞凋亡的活性。而且,人们认为外泌体的转运TNF家族蛋白,与各种炎症疾病和自身免疫疾病的产生相关。

  例如,从类风湿关节炎患者的滑膜成纤维细胞中释放出来的外泌体上,聚集高浓度的膜结合型TNF-α,会加重类风湿关节炎病情9)

  也有报告指出,癌细胞来源的外泌体,除了能诱导免疫细胞凋亡外,还具有各种免疫抑制效果。例如,当外泌体作用在自然杀伤细胞时,可抑制癌细胞识别机制中的NKG2D受体的表达,从而降低癌细胞的杀伤性10)

  另外,如果癌细胞来源的外泌体进入单核细胞,通过外泌体内所含的TGF-β或前列腺素E2等的作用,单核细胞会被诱导分化为髓源性免疫抑制细胞11)。髓源性免疫抑制细胞释放出IL-10等各种免疫抑制分子,抑制免疫细胞活化或抑制T细胞的诱导,从而抑制抗肿瘤免疫。癌细胞通过利用抑制免疫细胞攻击自身这一机制,进而促进癌症的发展。


◆结语

  本文聚焦外泌体在免疫系统中的作用,阐明外泌体由神经系统、内分泌系统等各种类型的细胞释放出来,通过运输蛋白质、脂质、mRNA和miRNA等物质,参与各种生理现象和疾病发展。

  已知外泌体会随着年龄的增加显著增多,因此也有人认为,外泌体也与增龄带来的组织萎缩相关。本文中记载了到目前为止关于外泌体在免疫系统中的作用,如在抗原提呈、炎症疾病/自身免疫疾病、癌症的进展等方面的作用,但这些现象的验证实验,是通过从培养细胞上清中提纯浓缩外泌体实现的,但还不能确定在生物体内也存在这些作用。

  揭示外泌体生理作用的唯一方法就是明确外泌体的释放机制,通过刺激或抑制这些机制,阐明其引起的生理现象,并期待更进一步的研究。

  截至目前,提取外泌体的方法主要是PEG沉淀试剂盒法和超速离心法,但这两种方法所提取的外泌体中所含杂质非常多,根本无法确定实验结果是否与外泌体的组成分子有关。

  和光纯药成功开发出了新型提取试剂盒(产品编号:293-77601),通过利用与传统产品截然不同的提取机制,可提取到纯度高的完整外泌体,对了解外泌体本身的生理现象具有很大帮助。

  通过了解外泌体在免疫系统中的作用,还可利用外泌体开发新型的治疗方法。如本文所述,通过抑制癌细胞来源的外泌体的功能,可提高抗肿瘤免疫的效果。另外,通过移除癌症患者血液中癌细胞来源的外泌体,也可能成为一种有效的治疗方法。

  反之,通过控制树突状细胞等的功能,促进免疫抑制性外泌体的产生,也可以应用于炎症患者或自身免疫疾病患者的治疗上。期望经过今后的研究发展,可以增加对外泌体功能的认知及扩大其在临床研究上的应用,并将外泌体应用于各种疾病治疗中。


◆参考文献

  1. Colombo, M. et al. : Annu. Rev. Cell Dev. Biol., 30, 255 (2014).

  2. Montecalovo, A. et al. : J, Immunol., 180, 3081 (2008).

  3. Wolfers, J. et al. : Nat. Med., 7, 297 (2001).

  4. Giri, P. K. and J. S. Schorey : PLoS One3(6), e2461 (2008).

  5. Valadi, H. et al. : Nat. Cell Biol., 9, 654 (2007).

  6. Monleon, I. et al. : J. Immunol., 167, 6736 (2001).

  7. Andreola, G. et al. : J. Exp. Med., 195, 1303 (2002).

  8. Tanaka, M. et al. : Nat. Med., 4, 31 (1998).

  9. Zhang, H. G. et al. : J. Immunol., 176, 7385 (2006).

10. Taylor, D. D. et al. : Clin. Cancer Res., 9, 5113 (2003).

11. Valenti, R. et al. : Cancer Res., 66, 9290 (2006).