外泌體在脂肪分化與脂代謝中作用的研究進(jìn)展

林金丹 閆爽

哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第四醫(yī)院內(nèi)分泌代謝科 150001

近年來，有關(guān)外泌體的研究已成為當(dāng)前醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一，外泌體與脂肪分化及其代謝之間存在的互相作用正逐漸顯現(xiàn)。普遍認(rèn)為，脂代謝及脂肪分化等多種生物過程與肥胖的發(fā)生密切相關(guān)[1]。因此，外泌體可成為治療肥胖的潛在方式之一。本文將對(duì)外泌體影響脂肪分化及脂代謝過程進(jìn)行簡(jiǎn)要綜述，旨在為肥胖的治療提供新思路及策略。

1 外泌體概述

1.1 外泌體的特點(diǎn) 外泌體由Johnstone等最早發(fā)現(xiàn)并命名，是由內(nèi)泌體膜出芽形成的多泡體融合質(zhì)膜后，以胞吐方式向細(xì)胞外釋放的納米囊泡[2]。它可由多種細(xì)胞分泌且普遍存在于體液中，其直徑為30～200 nm，密度為1.1～1.2 g/ml，形狀呈典型的杯狀或界限分明的圓形[3]。外泌體的大小、形狀和密度主要取決于其中包含的蛋白質(zhì)、脂類、酶和礦物質(zhì)含量，具有高度變異性，因此難以概括其共性[4]。外泌體膜脂質(zhì)及其腔內(nèi)組成物質(zhì)取決于母細(xì)胞及其質(zhì)膜類型和胞質(zhì)含量，其雙層膜的組分能夠反映母細(xì)胞膜的特點(diǎn)，而囊泡內(nèi)富含的諸多物質(zhì)及其含量則高度依賴于母細(xì)胞的類型[4-6]。

1.2 外泌體的生物發(fā)生及其調(diào)控 外泌體的生物發(fā)生其實(shí)是一種受蛋白質(zhì)質(zhì)量調(diào)節(jié)的機(jī)制，其特征首先為質(zhì)膜的內(nèi)吞事件和早期核內(nèi)體成熟為晚期核內(nèi)體，隨后核內(nèi)體膜形成內(nèi)腔小泡出芽，產(chǎn)生多泡體[4-6]。但并非所有外泌體均通過內(nèi)泌體出芽方式產(chǎn)生，也可從質(zhì)膜直接萌發(fā)。目前已知有3種發(fā)生模式：(1)囊泡出芽形成離散的內(nèi)泌體，成熟為多泡體繼而融合質(zhì)膜隨之釋放外泌體。(2)質(zhì)膜直接出芽釋放小泡。(3)胞內(nèi)質(zhì)膜連接腔室出芽延遲釋放，該腔室頸解除狹窄[4]。該過程主要涉及兩個(gè)途徑：第一是最具特征的轉(zhuǎn)運(yùn)必需內(nèi)體分選復(fù)合物(ESCRT)依賴途徑：首先是ESCRT0復(fù)合物亞基招募特定蛋白質(zhì)到核內(nèi)體特異性結(jié)構(gòu)域來負(fù)責(zé)內(nèi)化，隨后ESCRT1/2復(fù)合物協(xié)同決定出芽的起始過程，在腔內(nèi)囊泡形成前，促進(jìn)貨物蛋白的去泛素化，隨之產(chǎn)生多泡體， ESCRT3則驅(qū)動(dòng)最后階段的膜內(nèi)陷和分離[5-6]。第二是ESCRT非依賴途徑:替代的途徑機(jī)制如高階齊聚即齊聚物的齊聚途徑，外泌體膜耐清潔劑結(jié)構(gòu)域參與多泡體的生物發(fā)生[3-4]。

此外，上述過程還涉及介導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)途徑的反式作用因子、多泡體成熟和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制、質(zhì)膜內(nèi)穩(wěn)態(tài)以及囊泡的突起和斷裂等機(jī)制[4]。外泌體的分泌能力因母細(xì)胞類型各異而不同，受多種因素調(diào)節(jié)。細(xì)胞內(nèi)鈣離子變化、受體交聯(lián)介導(dǎo)激活細(xì)胞、脂質(zhì)介質(zhì)磷脂酸、K+誘導(dǎo)的細(xì)胞去極化、應(yīng)激狀態(tài)等均可調(diào)控外泌體的分泌[3]。

1.3 外泌體的功能及作用機(jī)制 外泌體的來源細(xì)胞不同，而且組成元素具有多樣性，導(dǎo)致其功能和結(jié)構(gòu)各不相同且復(fù)雜化。它以旁分泌或內(nèi)分泌的方式起作用，其作用機(jī)制可歸納為：(1)外泌體的膜蛋白本身或其裂解后產(chǎn)生的可溶性片段可作為配體，特異性結(jié)合靶細(xì)胞受體，繼而激活細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路。(2)通過黏附分子誘導(dǎo)膜融合和胞吞作用。(3)靶細(xì)胞通過內(nèi)吞機(jī)制直接內(nèi)化外泌體，隨之釋放相關(guān)物質(zhì)，激活受體細(xì)胞的下游事件或參與表觀遺傳重組[3，5]。

外泌體是細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的組成部分和重塑成分，具有多種生物學(xué)功能。它參與調(diào)節(jié)免疫功能，如激活或抑制免疫反應(yīng)，介導(dǎo)細(xì)胞間通訊而產(chǎn)生免疫耐受；調(diào)控靶細(xì)胞相關(guān)生理活動(dòng)；特異性結(jié)合鄰近細(xì)胞，具有獨(dú)特的細(xì)胞歸巢作用和靶向能力；參與腫瘤相關(guān)的轉(zhuǎn)移和侵襲等過程；干擾病毒的傳播；能夠通過血-腦屏障，調(diào)控大腦的重要功能且參與某些神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)??；能夠縮小特定模型的心肌梗死面積，減少動(dòng)脈粥樣硬化病變的形成[3-6]。

2 外泌體影響脂肪分化

諸多研究證實(shí)，外泌體參與調(diào)控脂肪分化。人們能夠在成脂分化過程提取外泌體，其含有脂肪組織發(fā)育有關(guān)的各種可溶性因子，如腫瘤壞死因子α、瘦素和巨噬細(xì)胞集落刺激因子等多種物質(zhì)。外泌體可以通過絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)-細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(ERK)等信號(hào)途徑，積極調(diào)控脂肪細(xì)胞譜系的終末分化[8]。

2.1 外泌體負(fù)向調(diào)控脂肪分化 Wang等[9]研究腫瘤來源的外泌體對(duì)脂肪細(xì)胞的影響，結(jié)果顯示，此類型外泌體能夠減少脂滴，降低成脂轉(zhuǎn)錄因子和脂肪細(xì)胞特異標(biāo)志物過氧化物酶體增殖物活化受體γ(PPARγ)和脂蛋白脂肪酶mRNA的表達(dá)水平。該研究首次證明了肺腫瘤來源的外泌體通過激活轉(zhuǎn)化生長因子β 信號(hào)通路，抑制脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞(ADSCs)的成脂分化。此外，來自慢性粒細(xì)胞白血病的含有miRNA-92a-3p的外泌體被內(nèi)化吸收進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，在轉(zhuǎn)錄后水平上降低CCAAT增強(qiáng)子結(jié)合蛋白α(C/EBPα)的表達(dá)，從而抑制ADSCs的脂肪生成[10]。

2.2 外泌體正向調(diào)控脂肪分化 外泌體不僅能夠誘導(dǎo)培養(yǎng)基中脂肪來源干細(xì)胞的發(fā)育，還可促使其分化為成熟脂肪細(xì)胞，并引起脂質(zhì)沉積[11]。脂肪細(xì)胞來源的外泌體(Ad-Exo)含有調(diào)節(jié)人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(hMSCs)譜系特征的指導(dǎo)性因子和成脂分化潛能的miRNAs。Ad-Exo可以增強(qiáng)ECM介導(dǎo)的hMSCs向脂肪細(xì)胞譜系的分化。成骨/脂肪細(xì)胞ECM和外泌體的組合在早期分化時(shí)間點(diǎn)開啟了譜系特異性基因的表達(dá)，其中，在含有成脂分泌體的成骨細(xì)胞ECM上分化的hMSCs能夠表達(dá)成脂基因[12]。研究報(bào)道，外泌體中含有的miRNA-450a-5p在脂肪形成過程中上調(diào)，可直接靶向結(jié)合成脂分化負(fù)性調(diào)控因子Wnt1誘導(dǎo)信號(hào)通路蛋白2(WISP2)的特定區(qū)域，并抑制WISP2的負(fù)性作用，最終促進(jìn)ADSCs的脂肪分化[13]。

Dai等[14]采用脂肪組織的外泌體樣囊泡干預(yù)脂肪干細(xì)胞，結(jié)果顯示，成脂基因PPARγ、脂肪細(xì)胞特異性脂肪酸結(jié)合蛋白2(aP2)和脂聯(lián)素的表達(dá)均升高，成熟細(xì)胞數(shù)目亦增多。另外，含有基質(zhì)金屬蛋白酶的外泌體轉(zhuǎn)移到3T3-L1細(xì)胞和原代大鼠前脂肪細(xì)胞，也能促進(jìn)最終成脂分化。根據(jù)上述可知，脂肪組織的外泌體樣囊泡可誘導(dǎo)脂滴形成，增強(qiáng)脂肪形成關(guān)鍵基因的表達(dá)，最終促進(jìn)脂肪分化。然而值得注意的是，脂多糖激活巨噬細(xì)胞所釋放的外泌體并不影響前脂肪細(xì)胞最終成熟分化的過程及脂肪儲(chǔ)存[15]。

綜上可知，外泌體是脂肪分化的重要調(diào)控因子。來源不同的外泌體能夠各自發(fā)揮促進(jìn)或抑制脂肪分化的作用，其中相關(guān)的具體作用機(jī)制與外泌體的來源及內(nèi)含成分等許多因素密切相關(guān)。

3 外泌體影響脂代謝

3.1 脂肪組織相關(guān)來源的外泌體調(diào)控脂代謝ADSCs來源的外泌體通過信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活因子3相關(guān)通路，激活M2巨噬細(xì)胞極化，表達(dá)高水平的酪氨酸羥化酶(負(fù)責(zé)兒茶酚胺的釋放)，增強(qiáng)相關(guān)產(chǎn)熱基因的表達(dá)，從而促進(jìn)白色脂肪組織棕色化，恢復(fù)解耦聯(lián)蛋白1(UCP1)依賴的能量消耗，最終減輕肥胖引起的胰島素抵抗作用、血脂異常和肝脂肪變性[16]。來自脂肪組織巨噬細(xì)胞的外泌體miRNA-155高表達(dá)于肥胖小鼠，能夠有效抑制白色脂肪棕色變和產(chǎn)熱作用，減少棕色脂肪組織并抑制其功能[17-18]。Ertunc等[19]研究證實(shí)，在脂解作用下，外泌體囊泡結(jié)構(gòu)中aP2的含量明顯增加，aP2通過外泌體囊泡形式的非經(jīng)典途徑增加分泌，隨之又參與脂肪細(xì)胞的脂解作用。

與常氧條件相比，低氧狀態(tài)下的脂肪細(xì)胞釋放的外泌體富含與乙酰輔酶A羧化酶、葡萄糖-6-磷酸脫氫酶、脂肪酸合酶等脂肪從頭生成相關(guān)的酶。供體低氧脂肪細(xì)胞可能將脂肪合成系統(tǒng)(脂肪酸編碼)通過外泌體方式轉(zhuǎn)移到受體細(xì)胞，使受體細(xì)胞增加這些脂肪生成酶，最終促進(jìn)脂質(zhì)積累、脂質(zhì)合成以及受體前脂肪細(xì)胞的成熟分化，并且可能影響相鄰前脂肪細(xì)胞和脂肪細(xì)胞的脂質(zhì)生成活性[20]。此外，來自阻塞性低通氣綜合征受試者的血漿外泌體增強(qiáng)了前脂肪細(xì)胞的分化，也促進(jìn)了脂肪細(xì)胞的脂解。在睡眠碎片或間歇性缺氧中長期暴露的小鼠，其外泌體同樣地誘導(dǎo)增強(qiáng)了脂解作用[21]。PLSCR3(Scr3)屬于膜相關(guān)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)的超家族，被稱為Tubby樣蛋白，以外泌體形式分泌到培養(yǎng)基中。在脂肪細(xì)胞分化過程中，Scr3的過表達(dá)抑制甘油三酯的積累，以及有關(guān)脂肪細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)[22]。

Lazar等[23]研究證實(shí)，肥胖小鼠Ad-Exo高表達(dá)于瘦小鼠，此類外泌體富含游離脂肪酸及脂肪酸相關(guān)蛋白，是脂肪酸氧化的正向調(diào)控因子，參與脂肪酸氧化過程。另一項(xiàng)研究表明，Ad-Exo特異地增加脂肪組織巨噬細(xì)胞中脂質(zhì)的含量，并于局部將甘油三酯傳遞給巨噬細(xì)胞，以致巨噬細(xì)胞中脂質(zhì)的積累。此外，Ad-Exo還能夠誘導(dǎo)脂代謝相關(guān)基因的表達(dá)[24]。Castao等[25]報(bào)道，肥胖改變了小鼠血漿外泌體miRNA譜，如增加miRNA-122等。采用肥胖相關(guān)miRNA外泌體干預(yù)瘦小鼠，能夠增加游離脂肪酸和甘油三酯水平，導(dǎo)致中樞性肥胖和肝臟脂肪變性。

瞬時(shí)受體電位黏脂蛋白1(TRPML1)是一種非選擇性的鈣離子通道，主要表達(dá)于晚期核內(nèi)體/溶酶體膜，參與溶酶體內(nèi)相關(guān)通路機(jī)制。成熟脂肪細(xì)胞來源的外泌體是脂肪生成的必要條件之一，且依賴于TRPML1介導(dǎo)的溶酶體胞吞作用，并以旁分泌和自分泌方式刺激脂肪產(chǎn)生。內(nèi)源性TRPML1的表達(dá)在前脂肪細(xì)胞成熟分化過程中呈時(shí)間依賴性增加，而當(dāng)急性缺失TRPML1時(shí)，脂質(zhì)的合成減少[26]。另外，來自肝細(xì)胞的外泌體也參與脂代謝的調(diào)節(jié)，采用含有miRNA-130a的外泌體干預(yù)3T3-L1細(xì)胞，可導(dǎo)致脂滴生成減少，以及葡萄糖攝取增加[27]。

3.2 腫瘤相關(guān)來源的外泌體調(diào)控脂代謝 來自不同腫瘤類型的外泌體在脂代謝過程中發(fā)揮重要作用。肺癌來源的外泌體具有較高水平的UCP1和低水平的脂滴，釋放高水平的甘油三酯，可以誘導(dǎo)脂肪細(xì)胞的脂解作用。使用中性鞘磷脂酶抑制劑不僅能夠抑制肺癌細(xì)胞來源外泌體的產(chǎn)生和釋放，而且可抑制肺癌細(xì)胞誘導(dǎo)的脂肪細(xì)胞的脂肪分解以及白色脂肪組織棕色變的發(fā)生[28]。來自胃癌細(xì)胞的外泌體將ciRS-133(circular RNA sponge for miR-133)轉(zhuǎn)移進(jìn)入前脂肪細(xì)胞，通過增強(qiáng)前脂肪細(xì)胞PR結(jié)構(gòu)域蛋白16的表達(dá)和激活UCP1以及抑制miRNA-133的表達(dá)，導(dǎo)致細(xì)胞代謝加速，耗氧量和熱量產(chǎn)生增加，促進(jìn)脂肪分解[29]。

來自乳腺癌細(xì)胞的外泌體攜帶高水平miRNA-144和miRNA-126。其中，外泌體miRNA-144通過下調(diào)MAPK-ERK1/2-PPARγ軸來介導(dǎo)及增強(qiáng)脂肪細(xì)胞的分解代謝；外泌體miRNA-126則通過破壞胰島素受體底物/葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，激活腺苷酸活化蛋白激酶/自噬途徑來穩(wěn)定脂肪細(xì)胞的缺氧誘導(dǎo)因子1α表達(dá)，從而重塑脂代謝[30]。

來自小鼠胰腺癌的外泌體促進(jìn)脂肪沉積而抑制葡萄糖的攝取，呈劑量依賴性的顯著升高甘油三酯水平[31]。另一項(xiàng)來自胰腺癌外泌體的研究結(jié)果揭示，胰腺癌分泌的外泌體含有腎上腺髓質(zhì)素，能夠誘導(dǎo)脂肪組織的脂肪分解。在機(jī)制上，外泌體腎上腺髓質(zhì)素特異性靶向結(jié)合該激素受體，通過激活p38和p44/42，介導(dǎo)ERK1/2相關(guān)通路，和(或)協(xié)同白細(xì)胞介素-6及其他已知因子等額外的獨(dú)立脂解機(jī)制，最后通過磷酸化激素敏感性脂肪酶來促進(jìn)脂肪分解[32]。隨后，Kong等[33]研究印證并豐富了上述研究結(jié)果，同時(shí)首次表明胰腺癌細(xì)胞和癌相關(guān)成纖維細(xì)胞來源的外泌體均可攜帶腎上腺髓質(zhì)素，通過將腎上腺髓質(zhì)素傳遞給受體脂肪細(xì)胞，促進(jìn)脂肪分解。

4 外泌體與肥胖及代謝性疾病

在肥胖人群中，血漿外泌體中與心血管疾病發(fā)生相關(guān)的胱抑素C和CD14的含量發(fā)生相應(yīng)改變。血管疾病患者外泌體中胱抑素C和CD14的增加與心肌梗死、血管疾病死亡率和進(jìn)一步血管事件的風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)。另外，血漿外泌體中胱抑素C的表達(dá)與低度全身炎性反應(yīng)、低高密度脂蛋白-膽固醇水平和代謝綜合征呈正相關(guān)，而CD14的表達(dá)與脂肪組織豐度、血脂異常和2型糖尿病發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)降低呈負(fù)相關(guān)[34]。外泌體參與糖尿病及其相關(guān)并發(fā)癥的發(fā)生與發(fā)展，它不僅可以作為糖尿病早期診斷和分期的生物學(xué)標(biāo)志，還可作為糖尿病治療的靶點(diǎn)[35]。同時(shí)，它作為藥物傳遞載體，具有相對(duì)容易獲得性、良好的宿主生物分布和生物相容性、特殊的靶向能力等諸多優(yōu)點(diǎn)[6]。

5 小結(jié)和展望

外泌體通過膜結(jié)合靶向受體細(xì)胞等機(jī)制傳遞蛋白質(zhì)及核酸等物質(zhì)，介導(dǎo)細(xì)胞間通訊，在多種生物學(xué)過程中發(fā)揮重要作用。目前研究初步揭示，外泌體能夠影響肥胖發(fā)生涉及的相關(guān)分子網(wǎng)絡(luò)機(jī)制，參與調(diào)控脂肪分化及脂代謝。此外，它作為藥物載體具有諸多優(yōu)點(diǎn)，有助于代謝性疾病的診治，具有巨大潛在的臨床價(jià)值。綜上所述，外泌體可作為潛在治療肥胖的頗有前景的方法，但其影響脂肪細(xì)胞的相關(guān)作用機(jī)制還需深入研究。