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第三节 miRNA转运体
随着对miRNA研究的不断深入,科学家发现miRNAs可以稳定存在于细胞外的体液如组织液、血液、尿液、唾液和腹腔积液中。越来越多的研究证明血液中某些循环miRNAs不仅可以作为癌症、心血管疾病、脑损伤和肝损伤的生物标记物,而且可以在组织液的运输下进入到邻近组织发挥生物学作用。这些现象激发了人们去探索细胞内miRNA是如何被分泌出来,又是如何被转运?2007年,Valadi等研究人员首次发现胞内的miRNA可以通过外泌体运输到细胞外间隙,开启了研究miRNAs转运的研究热潮 [56]。此后,研究证明miRNA可以通过不同的转运体进行转运(图2-7)。然而,随着研究的不断深入,越来越多的问题也展现在科学家的面前,诸如:每种转运体是否有miRNA的专属性?不同的疾病是否启动特定的转运体转运miRNAs?miRNA与其转运体是如何进行双向选择的?这些问题都有待于科学家们进行阐明。目前已被发现的细胞外miRNAs的转运体主要有囊泡类、脂蛋白以及核糖核蛋白复合物。
图2-7 miRNA的转运方式
注:在GW-body内,RISC在ESCRT复合物的辅助下与多泡体膜分离,并释放GW182。RISC与GW182被分选进入ILVs,继而与溶酶体融合被降解。与此同时,多泡体在神经酰胺的促进下与细胞膜融合,并释放携带miRNAs的外泌体至细胞外。在细胞外微环境中,miRNAs还可被凋亡小体、微粒体、脂蛋白、RNA结合蛋白等多种转运体携带
一、囊泡类转运体
囊泡类转运体最初均来源于细胞膜。根据其形成的方式不同分为:外泌体(exosome)、微粒体(microparticles)和凋亡小体(apoptotic bodies)(见图2-7)。
(一)外泌体
外泌体是一种具有脂质双层膜,直径大约在40~100nm之间不等的囊泡结构。其形成始于细胞内陷形成的内核体(endosomes)。细胞膜在接受外界刺激时会启动细胞膜的内陷过程,并在一系列细胞内信号的作用下形成初级内核体。初级内核体在行使其蛋白分选功能时,细胞的代谢产物如蛋白质、脂质、mRNA、核酸以及多种小分子物质会刺激内核体向内出芽,将这些物质包裹其中,形成多泡体(multivesicular bodies,MVB)。研究发现生长因子也可以促进内核体向内出芽形成多泡体。在细胞内,多泡体多与P-body和GW-body比邻。在P-body和GW-body中,随着靶RNA在miRISC脱腺苷和脱帽,GW-182在ESCRT(endosomal sorting complex required for transport)复合体的帮助下从附着于多泡体膜上的miRISC中解离,并被分选进入ILVs(intralumenal vesicles),最后与溶酶体融合被降解。与此同时,miRNA从解聚miRISC上解离下来,并被分选进入外泌体,在神经酰胺的作用下与细胞膜融合,并释放至细胞外。神经鞘磷脂酶2(nSMase2)是膜内控制神经酰胺合成的限速酶,被认为能够形成簇状的膜性微区域和诱导膜的弯曲,从而促进脂质双层膜的内化,参与调控外泌体的生成和分泌。有文献报道,抑制nSMase2中性鞘磷脂酶的活性能够减少外泌体对miRNAs的包裹,并且增强 miR-223与高密度脂蛋白(HDL)的结合转运 [57-60]。
早期的外泌体一直被认为只是一种细胞的废弃物。直至近几年,外泌体作为miRNAs的转运体,激发了科学家对这一领域的深度研究。人们发现这种微小膜泡不仅含有细胞特异的蛋白、脂质和核酸,而且能作为信号分子传递给其他细胞从而改变其他细胞的功能,甚至能够通过血脑屏障介导神经功能 [61-63]。与细胞接触依赖的信号传导和通过可溶性分子介导的传导这两条途径一样重要,外泌体接到的信号转导被认为是细胞间信号交流的第三种途径。值得注意的是,不同细胞分泌的外泌体含有很多相似的蛋白组成,比如四跨膜蛋白超家族成员CD63、CD81、CD82和热休克蛋白(HSP)-27,HSP-60,HSP-70及HSP-90。这些蛋白相对选择性地富集在外泌体生成处的细胞膜上,或参与外泌体的生成、内陷及内容物(蛋白质、mRNA、miRNA等)的装配 [64],或作为分子伴侣参与蛋白质的折叠和组装 [65]。同时,外泌体也因其来源于不同的细胞而多具有特定的成分 [66,67]、包裹特定的miRNA [68],抑或是靶向特定的受体发挥功能 [69],并因其脂质双层膜结构能够很好地保护其包被的物质,且能靶向特定的细胞或组织,因此是一种很好的靶向给药系统 [70]。
虽然外泌体对miRNA的识别、分拣及包裹的机制尚不清楚,但已有大量研究发现miRNA的分泌对转运体的确存在选择性。如 let-7 miRNA家族更趋向于选择胃癌细胞株AZ-P7a分泌的外泌体 [68]。一些miRNAs亚群( miR-150、 miR-142-3p、 miR-451)在外泌体中所占的比例比在来源细胞中更高 [71]。在良性肿瘤和卵巢癌中,发现了八种外泌体miRNAs的表达水平不同,包括 miR-21和 miR141 [72]。循环体系中外泌体包裹的miRNAs也在不同的生理条件下含量不同,预示其成为疾病生物标志物的潜力 [73-76]。
(二)微粒体和凋亡小体
不同于外泌体,微粒体是细胞激活、损伤或凋亡后直接从细胞膜分离脱落下来的小囊泡,直径约为100~4000nm,大部分由血小板、红细胞及内皮细胞分泌,因其含有大量外化的磷脂酰丝氨酸(phosphatidylserine,PS)而使其赋予促凝血的特性。而凋亡小体则属最大的微粒体,最大直径可达5000nm,主要由细胞程序性死亡的晚期释放。微粒体和凋亡小体同样存在于循环系统中 [77],也可以转运miRNA等信息继而介导细胞间通讯。Zernecke等发现内皮细胞能够通过凋亡小体转运 miR-126向周围的内皮细胞发出“危险信号”,通过抑制RGS16的表达起到抗动脉粥样硬化作用 [78]。这一现象提示“凋亡后效应”的存在可能源于凋亡小体携载miRNA来实现。同时,由于微粒体和凋亡小体的形成机制简单,内容空间大,常常会有近乎完整的细胞器或基因组结构被包裹其中,对受体细胞产生更大的调节和影响。
二、脂蛋白
除磷脂双分子层结构的囊泡外,miRNA同样可以通过脂蛋白转运。脂蛋白是与蛋白质结合在一起形成的脂质-蛋白质复合物,包括高密度脂蛋白(HDL)和低密度脂蛋白(LDL)。高密度脂蛋白最小,8~12nm之间,被普遍认为在周边组织、消化系统等中转运过量的胆固醇、甘油三酯和类固醇。Vickers等人发现HDL通过转运miRNA可以调节细胞间的通讯。研究发现,将动脉粥样硬化患者的肝细胞孵育HDL结合的miRNA后,肝细胞中RNA靶点明显减少。Cuesta Torres等发现与人体肥胖及代谢紊乱相关的 miR-233同样能够经HDL转运从而调节超重人群的体重变化。研究表明,人类血浆HDL-miRNA复合体的表达水平在家族性高胆固醇血症患者和健康对照的人群中显著不同,而且HDL介导的miRNA的转运也受nSMase2和神经酰胺依赖途径调控。如前文所述,nSMase2的过表达和神经酰胺途径的激活能够诱导外泌体的释放以及miRNA的转运。与之相反,HDL介导的miRNA的转运随着nSMase2的水平增高反而受到抑制。因此nSMase2的表达高低或许是miRNA选择通过外泌体分泌还是通过HDL结合转运的分支点。此外,低密度脂蛋白(LDL)同样可以转运miRNA,但其转运能力低于HDL [79,80]。
三、RNA结合蛋白
一些蛋白质,如核仁磷酸蛋白1(nucleophosmin1,NPM1)、AGO2蛋白、核糖体蛋白L10a及L5(ribosomal protein L10a,L5)等同样可以作为miRNA的转运体。NPM1是一种广泛表达的核仁磷蛋白质,可转运RNA及核糖体蛋白进入细胞质。事实上,装载 miR-122的NPM1可以有效抑制RNA,被认为是miRNA的第一个转运体。Andrey等于2010年首次发现循环体系中稳定存在的miRNAs并不一定被包裹在外泌体类的囊泡结构中,而是与AGO2蛋白结合就足以避免被降解并发生转运 [81]。研究发现在循环体系中的囊泡结构内外都有与细胞外的miRNA结合的蛋白复合物 [82,83],如被认为主要依靠囊泡进行分泌的人源性 miR-16,同样可与AGO蛋白稳定结合并被包裹进囊泡结构中,并且在细胞凋亡过程中,AGO携载 miR-16的能力增强 [84]。不同组织细胞间的miRNAs对转运蛋白复合物的选择也具有特异性。Turchinovich A发现不同细胞分泌的miRNAs可以特异性选择AGO1或者AGO2等亚型作为转运体转运至循环系统中,为血液miRNAs作为疾病的生物标志物提供更为确切的来源基础 [85]。
miRNA尤其是循环miRNA作为一种潜在的疾病诊断或预警生物标志物已经备受关注,而阐明miRNA的释放及转运机制对于理解并发现有价值的可作为疾病生物标志物的miRNA尤为重要。尽管我们发现了多种miRNAs的转运,然而对于其转运机制还需进一步探索。细胞内源性miRNA分泌或释放到细胞外的途径复杂多样,目前来看,尚难以将miRNA的分泌、转运方式完全归结于某一种特定途径。总之,我们相信,随着探究miRNA的技术不断进步,miRNA的转运机制会逐渐清晰。
(艾 静)