小身材，大作用——外泌体的前世今生
2025-03-21 来源:本站 点击次数:360
北京时间2013年10月7日，在卡罗琳医学院的诺贝尔大厅，诺贝尔奖的评选委员会秘书长戈兰·汉松宣布，将当年的诺贝尔生理学或医学奖颁给三位杰出的科学家，即詹姆斯·E·罗斯曼(James E．Rothman)、托马斯·苏德霍夫(Thomas C．Südhof)以及兰迪·谢克曼(Randy W．Schekman)，以表彰三人共同解答的一个科学问题：细胞如何组织运转其内部的一个重要的传输系统——囊泡传输系统?也正是他们的研究成果以及诺贝尔奖的巨大影响力，使小小的囊泡被纳入更多研究者的视线，随着后续进行的深入研究，如今这个小小的囊泡已然装满了大大的学问，其研究方向涵盖干细胞、免疫、靶向给药、非编码RNA(如微小RNA)、生物标记物、肿瘤治疗等热门研究领域，而其研究前景仍在被不断地开发。外泌体是目前这类囊泡传输系统中的研究热点，本文将就此介绍外泌体的前世今生。
一、外泌体的发现
早在1986年，Eberhard G．Trams和R．M．Johnstone两位科学家在体外培养的绵羊红细胞的培养基上清液中发现了一种具有膜结构的小囊泡，并将其命名为Exosome（外泌体）。在外泌体被发现的最初十几年中，它的生物学作用一直没有引起科学家的重视，甚至被认为是细胞产生的“垃圾”。直到1996年，有科学家发现B淋巴细胞能够分泌抗原呈递外泌体，这种外泌体携带有MHC-II类分子、共刺激因子和黏附因子，能够直接刺激效应CD4阳性的细胞产生抗肿瘤效应。随后，越来越多的研究发现，外泌体中包含有DNA片段、mRNA、微小RNA、功能蛋白、转录因子等多种具有生物活性的物质，而其本身的膜结构还能表达多种抗原、抗体分子，从而产生生物学效应。至此，一个在自然界默默传输关键生物信息的“快递员”渐渐露出了真容。
二、什么是外泌体？
目前，科学界将细胞外囊泡(extracellular vesicle)大致分为三大类：微泡(microvesicle)、凋亡小体(apoptotic body)和外泌体(exosome)(表1)。微泡是指由细胞分泌的一种直径为100～1000nm的膜囊泡；凋亡小体是指细胞程序性死亡过程中所释放的一种直径为500～4000nm的膜囊泡；外泌体则是一种直径为30～100nm、主要由细胞内多泡体与细胞膜融合并释放到细胞外基质中的膜囊泡，后者在电镜下表现为脂质双层包裹的扁平球体，呈特征性的杯状外形。同源性的外泌体形态均一、大小相近，而不同来源的外泌体直径可略有不同。
外泌体的形成是一个复杂而有序的动态过程。当活细胞经胞吞作用摄入外源性物质后，会在细胞内形成早期核内体(early endosome，EE)，EE通过囊膜内陷、突入形成多个小囊泡，在选择性地接收细胞胞浆内的核酸、蛋白及脂质等物质后形成多泡内核体(multivesicular endosome，MVE)。后者主要有三个去向：①与溶酶体融合，最终被消化；②在接受病理性刺激后，MVE中的小囊泡与细胞膜融合，并将内容物表达在所在细胞的表面；③MVE与细胞膜融合后将小囊泡释放到细胞外基质中形成外泌体（如图3）。
由外泌体的形成过程可以看出，外泌体的内含物在MVE的形成时期就已经初步确定。蛋白是外泌体内含物中的一大类物质，其含量与种类相当丰富。外泌体包含的蛋白可分为两类：一类是在外泌体普遍表达并可作为标记物用来识别外泌体的蛋白，包括热休克蛋白、TSGl01、Alix、Foltillin、Rab蛋白等膜转运和膜融合蛋白以及四跨膜超家族(tetraspanin)的成员CD9、CD63、CD81蛋白分子；另一类是不同来源、不同环境外泌体各自拥有的特异性蛋白，如T细胞来源的外泌体可携带CD3分子，神经元来源的外泌体可表达谷氨酸受体等。除蛋白以外，外泌体包含的另一大类重要物质就是核酸，包括DNA、mRNA、微小RNA、lncRNA等。外泌体所携带的核酸、蛋白等分子赋予外泌体丰富的生物学信息，通过外泌体传输到其他细胞发挥特定的生物学效应（图4）。
三、外泌体的作用
目前认为外泌体产生生物学效应的方式主要有两种：其一，外泌体可以通过其表面的蛋白分子或脂质配体直接激活目标细胞表面的受体；其二，外泌体可以与受体细胞的质膜融合并进入细胞，将自身包含的核酸、蛋白、脂质等分子释放入受体细胞，进而调控细胞的功能及生物学行为。外泌体在体内各个系统的生理学和病理生理学过程中发挥着重要的调控作用，是研究疾病发病机制和疾病治疗的重要靶点。这一类研究旨在寻找疾病发生发展的机制，干预疾病发展的过程。随着某些疾病的发生发展，外泌体包含的某些分子的表达量也会有不同程度的改变，这使得外泌体(包括循环血外泌体)有望成为诊断疾病、评估治疗反应性和患者预后的潜在生物标记物（图5）。
图5 外泌体的潜在应用
参考文献：
[1]贝毅桦,喻溥蛟,肖俊杰.小囊泡中的大学问——外泌体的前世今生[J].自然杂志, 2017, 39(3):10.
[2] Kalluri R , Lebleu V S .The biology, function, and biomedical applications of exosomes[J].Science, 367.
[3]Pol Escudé Martinez de Castilla a, C L T B , C C H B ,et al.Extracellular vesicles as a drug delivery system:A systematic review of preclinical studies[J].Advanced drug delivery reviews:S0169-409X(21)00175-7.
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图1 2013诺贝尔生理学或医学奖
一、外泌体的发现
早在1986年，Eberhard G．Trams和R．M．Johnstone两位科学家在体外培养的绵羊红细胞的培养基上清液中发现了一种具有膜结构的小囊泡，并将其命名为Exosome（外泌体）。在外泌体被发现的最初十几年中，它的生物学作用一直没有引起科学家的重视，甚至被认为是细胞产生的“垃圾”。直到1996年，有科学家发现B淋巴细胞能够分泌抗原呈递外泌体，这种外泌体携带有MHC-II类分子、共刺激因子和黏附因子，能够直接刺激效应CD4阳性的细胞产生抗肿瘤效应。随后，越来越多的研究发现，外泌体中包含有DNA片段、mRNA、微小RNA、功能蛋白、转录因子等多种具有生物活性的物质，而其本身的膜结构还能表达多种抗原、抗体分子，从而产生生物学效应。至此，一个在自然界默默传输关键生物信息的“快递员”渐渐露出了真容。
图2 外泌体
二、什么是外泌体？
目前，科学界将细胞外囊泡(extracellular vesicle)大致分为三大类：微泡(microvesicle)、凋亡小体(apoptotic body)和外泌体(exosome)(表1)。微泡是指由细胞分泌的一种直径为100～1000nm的膜囊泡；凋亡小体是指细胞程序性死亡过程中所释放的一种直径为500～4000nm的膜囊泡；外泌体则是一种直径为30～100nm、主要由细胞内多泡体与细胞膜融合并释放到细胞外基质中的膜囊泡，后者在电镜下表现为脂质双层包裹的扁平球体，呈特征性的杯状外形。同源性的外泌体形态均一、大小相近，而不同来源的外泌体直径可略有不同。
表1 各种细胞外囊泡的区别
外泌体的形成是一个复杂而有序的动态过程。当活细胞经胞吞作用摄入外源性物质后，会在细胞内形成早期核内体(early endosome，EE)，EE通过囊膜内陷、突入形成多个小囊泡，在选择性地接收细胞胞浆内的核酸、蛋白及脂质等物质后形成多泡内核体(multivesicular endosome，MVE)。后者主要有三个去向：①与溶酶体融合，最终被消化；②在接受病理性刺激后，MVE中的小囊泡与细胞膜融合，并将内容物表达在所在细胞的表面；③MVE与细胞膜融合后将小囊泡释放到细胞外基质中形成外泌体（如图3）。
图3 外泌体的形成
由外泌体的形成过程可以看出，外泌体的内含物在MVE的形成时期就已经初步确定。蛋白是外泌体内含物中的一大类物质，其含量与种类相当丰富。外泌体包含的蛋白可分为两类：一类是在外泌体普遍表达并可作为标记物用来识别外泌体的蛋白，包括热休克蛋白、TSGl01、Alix、Foltillin、Rab蛋白等膜转运和膜融合蛋白以及四跨膜超家族(tetraspanin)的成员CD9、CD63、CD81蛋白分子；另一类是不同来源、不同环境外泌体各自拥有的特异性蛋白，如T细胞来源的外泌体可携带CD3分子，神经元来源的外泌体可表达谷氨酸受体等。除蛋白以外，外泌体包含的另一大类重要物质就是核酸，包括DNA、mRNA、微小RNA、lncRNA等。外泌体所携带的核酸、蛋白等分子赋予外泌体丰富的生物学信息，通过外泌体传输到其他细胞发挥特定的生物学效应（图4）。
图4 外泌体结构与内容物
三、外泌体的作用
目前认为外泌体产生生物学效应的方式主要有两种：其一，外泌体可以通过其表面的蛋白分子或脂质配体直接激活目标细胞表面的受体；其二，外泌体可以与受体细胞的质膜融合并进入细胞，将自身包含的核酸、蛋白、脂质等分子释放入受体细胞，进而调控细胞的功能及生物学行为。外泌体在体内各个系统的生理学和病理生理学过程中发挥着重要的调控作用，是研究疾病发病机制和疾病治疗的重要靶点。这一类研究旨在寻找疾病发生发展的机制，干预疾病发展的过程。随着某些疾病的发生发展，外泌体包含的某些分子的表达量也会有不同程度的改变，这使得外泌体(包括循环血外泌体)有望成为诊断疾病、评估治疗反应性和患者预后的潜在生物标记物（图5）。
图5 外泌体的潜在应用
参考文献：
[1]贝毅桦,喻溥蛟,肖俊杰.小囊泡中的大学问——外泌体的前世今生[J].自然杂志, 2017, 39(3):10.
[2] Kalluri R , Lebleu V S .The biology, function, and biomedical applications of exosomes[J].Science, 367.
[3]Pol Escudé Martinez de Castilla a, C L T B , C C H B ,et al.Extracellular vesicles as a drug delivery system:A systematic review of preclinical studies[J].Advanced drug delivery reviews:S0169-409X(21)00175-7.
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