Экзосомы — микроскопические внеклеточные везикулы (пузырьки) диаметром 30—100 нанометров, выделяемые в межклеточное пространство клетками различных тканей и органов. Полость экзосом имеет цитоплазматическое происхождение и содержит белки, РНК и липиды, мембрана экзосом образуется в результате впячивания внутрь эндосомальной мембраны.
Экзосомы обнаружены в различных тканевых жидкостях организма, таких как сыворотка крови, спинномозговая жидкость, а также в моче, слюне и грудном молоке.
Функции экзосом разнообразны: межклеточная коммуникация, участие в секреции белков, облегчение иммунного ответа и многое другое. Однако роль экзосом полностью ещё не изучена.
История Экзосомы были впервые описаны в 1983 году при исследовании дифференцировки ретикулоцитов. В 1985 году было показано, что в процессе созревания ретикулоцитов экзосомы принимают участие в изменении структуры мембран путём выведения рецепторов трансферрина. Первоначально экзосомы рассматривали как «резервуары» для удаления избытка цитоплазмы. В конце 1990-х годов было показано, что экзосомы принимают участие в регуляции иммунных реакций организма, что свидетельствовало об их значимости для межклеточных взаимодействий.
В 2007 году были описаны многочисленные микроРНК и мРНК, которые экзосомы переносят в клетки-мишени, в связи с чем интерес к этим внеклеточным везикулам значительно вырос. При изучении культур эмбриональных стволовых клеток было показано, что экзосомы способны обеспечивать горизонтальный перенос мРНК между клетками. Экзосомы переносят в предшественники клеток крови специфические мРНК, что приводит к фенотипическим изменениям клеток-реципиентов.
В настоящее время предполагается, что нуклеиновые кислоты, переносимые экзосомами, участвуют в эпигенетическом наследовании.
Происхождение
Изучение образования экзосом играет важную роль для понимания роли экзосом в коммуникации между клетками и влияния экзосом на окружающие клетки. Образованию экзосом предшествует впячивание микродоменов плазматической мембраны, покрытых клатрином. Затем эндосомальный комплекс сортировки () обеспечивает превращение впячиваний мембраны в ранние эндосомы, которые транспортируют убиквитинилированные продукты. Далее происходит повторное впячивание в ранние эндосомы, при этом образуются интралюминальные пузырьки (), которые накапливаются и созревают внутри эндосом — мультивезикулярных телец. Мультивезикулярные тельца либо превращаются в лизосомы, где происходит деградация их содержимого, либо сливаются с плазматической мембраной (в таком случае их называют экзоцитарными мультивезикулярными тельцами), при этом интралюминальные пузырьки — экзосомы высвобождаются во внеклеточное пространство.
Состав
Белки Белковый состав экзосом во многом отражает их происхождение из эндосом и несколько различается в зависимости от типа клеток, в которых они образуются. Тем не менее, экзосомы имеют сходный набор белков, в число которых входят белки-маркеры экзосом: CD63, CD81 и CD9, которые являются членами высококонсервативного семейства тетраспанинов, необходимых для связывания и транспортировки микроРНК, узнавания клетки-мишени и поглощения ею экзосомы; Alix (); Tsg101 () — компонент эндосомного белкового комплекса сортировки, необходимого для транспортировки и биогенеза экзосом; экзосомы, происходящие от клеток иммунной системы богаты MHCII и другими костимуляторными молекулами.
Помимо этого, экзосомы содержат различные ферменты, в частности, ГТФазы семейства Rab, которые способствуют слиянию мембран, и ферменты метаболизма, такие как пероксидазы, пируваткиназа, липидкиназы и енолаза-1; белки цитоскелета (например, актин и тубулин); тетраспанины (главным образом CD81, CD63 и CD9); белки мембранного транспорта, белки теплового шока HSP60, HSP70, HSP90; белки главного комплекса гистосовместимости, а также аннексины (регулируют изменения мембранного цитоскелета и механизмы слияния мембран) и другие. Также экзосомы могут нести на своей поверхности белки, участвующие во внутриклеточной передаче сигнала, например белки Wnt, которые активируют сигнальный путь Wnt в клетках-мишенях.
Механизмы, которые контролируют сортировку белков для загрузки их в экзосомы в настоящее время пока не вполне понятны. Предполагается, что важную роль в этом процессе играют пост-трансляционные модификации белков.
Липиды Экзосомы содержат большое количество липидов: церамиды, сфингомиелин, фосфатидилсерин, фосфатидидилэтаноламин, лизофосфатидилхолин, фосфатидилхолин, фосфатидилинозитол, холестерин и некоторые другие. Липиды не просто инертный материал экзосом, они влияют на биологическую активность последних. При биогенезе экзосом внутри мультивезикулярных телец липиды участвуют в организации их мембранной структуры. Для межклеточного переноса микроРНК требуются липиды-носители, образование которых регулируется церамидным путём, поэтому заблокировать перенос микроРНК экзосомами можно с помощью ингибитора нейтральной сфингомиелиназы — GW4869 — или ингибитора кислой сфингомиелиназы — дезипрамина.
На поверхности экзосом представлены углеводы: манноза, полилактозамин, α-2,6-сиаловая кислота и сложные N-концевые гликаны.
Нуклеиновые кислоты По сравнению с клетками, экзосомы содержат значительное количество малых РНК, однако в них мало или совсем нет рибосомальной РНК. Показано, что экзосомы содержат такие же молекулы РНК, что и клетки, из которых они образуются, причем внутри экзосом клеточные РНК защищены от деградации. Тем не менее, набор микроРНК в экзосомах не вполне отражает содержания микроРНК в родительских клетках, вероятно, существуют механизмы избирательной упаковки микроРНК в экзосомы.
МикроРНК экзосом функциональны и могут влиять на экспрессию генов в клетках-мишенях.
Модификации особыми шаблонами нуклеотидной последовательности, называемыми EXOmotifs, подвергаются микроРНК, которые подлежат активному экспорту в экзосому. Благодаря шаблону EXOmotif ядерный рибонуклеопротеиновый комплекс hnRNPA2B1 узнает эту микроРНК, связывает её, транспортирует в цитоплазму и загружает в экзосому. Процессы связывания в ядре и высвобождения микроРНК после доставки в экзосому регулируются присоединением белка SUMO — сумоилированием. Присоединив шаблон EXOmotif к выбранной исследователем микроРНК можно заставить клетку упаковывать её в экзосомы, чтобы затем использовать эти экзосомы в биомедицинских целях. В частности, предполагается что при воспалении микроРНК для загрузки в экзосому должна иметь короткий мотиватор AAUGC, без которого микроРНК не может связаться с РНК связывающим белком FMRP (fragile X mental retardation protein), который направляет микроРНК в экзосому, взаимодействуя с компонентами эндосомного сортировочного комплекса (ESCRT).Matikainen, S., Nyman, T. A., & Cypryk, W. (2020). Inflammasomes: Exosomal miRNAs loaded for action. The Journal of cell biology, 219(10), e202008130. https://doi.org/10.1083/jcb.202008130Wozniak, A. L., Adams, A., King, K. E., Dunn, W., Christenson, L. K., Hung, W. T., & Weinman, S. A. (2020). The RNA binding protein FMR1 controls selective exosomal miRNA cargo loading during inflammation . Journal of Cell Biology, 219(10). e201912074.
Помимо РНК, экзосомы содержат ДНК, которую они могут переносить из клетки в клетку. Известно, что внеклеточная жидкость, в том числе и плазма крови, содержит ДНКазы — ферменты, расщепляющие ДНК. В связи с этим, генетический материал должен быть защищён при передаче от одной клетки к другой, вероятно, именно в этом и состоит функция экзосом.
Функции Плазма крови человека содержит до трех миллионов экзосом в одном микролитре. В настоящее время к функциям экзосом относят: осуществление межклеточной коммуникации, передача необходимого генетического фенотипа от одной клетки в другую в процессе метаплазии, участие в неклассической секреции белков, облегчение иммунного ответа, презентация антигенов, в патогенезе болезней, связанных с расстройствами метаболизма и в развитии злокачественных опухолей.Экзосомы мочи содержат антимикробные белки и пептиды, а также бактериальные и вирусные рецепторы, благодаря чему способствуют иммунной защите мочевых путей. Кроме того, с помощью экзосом в организме может осуществляться координация процессов клеточного старения.
Экзосомы могут участвовать в ключевом пути взаимодействия между стволовыми клетками и их микроокружением — передаче микроРНК между клетками. РНК, которые экзосомы переносят и от одной клетки к другой, называют челночными РНК ().
Показано участие экзосом в распространении вируса Эпштейна — Барр и прионов. Экзосомы, выделяемые клетками, инфицированными вирусом Эпштейна — Барр, содержат микроРНК, кодируемые вирусом. Внутри экзосом вирусные микроРНК могут попадать в неинфицированные клетки и проявлять в них биологическую активность.
Экзосомы, секретируемые В- и T-лимфоцитами, а также дендритными клетками, содержат микроРНК. Экзосомы переносят микроРНК во время образования иммунного синапса с Т-лимфоцитом, при этом микроРНК могут функционировать и в клетке-реципиенте. Экзосомы могут переносить биологически активные РНК от матери к ребёнку во время беременности и лактации, показано, что часть микроРНК молока находится в экзосомах.
Экзосомы могут перемещаться по организму, оставаясь невидимыми для клеток иммунной системы, в составе экзосом могут транспортироваться различные патогены, например, экзотоксин, выделяемый бактериями сибирской язвыСтасевич К. (2013) СИБИРСКАЯ ЯЗВА ПРОИЗВОДИТ «НЕВИДИМЫЙ» ТОКСИН .
Большое количество экзосом, заполненных антимикробными белками, находятся в носовой полости, обеспечивая моментальный иммунный ответ на бактерии, попадающие в дыхательные пути. Кроме того, экзосомы передают защитные антимикробные белки от передней части носа к задней вдоль дыхательных путей, тем самым предотвращая дальнейшее распространение инфекций.
Диагностика заболеваний Экзосомы переносят белки, липиды и нуклеиновые кислоты, которые являются биологическими маркерами состояния продуцирующих их клеток. Так как экзосомы широко представлены в биологических секретах организма (кровь, моча, молоко, слюна), биомаркеры экзосом могут быть использованы для диагностики различных заболеваний и определения стадии или факта прогрессии заболевания, определения схемы и эффективности его лечения. Исследования показывают, что белки и нуклеиновые кислоты в составе экзосом стабильны и присутствуют в количествах, достаточных для изучения при помощи высокочувствительных молекулярно-биологических методов, например, ПЦР.
Диагностика при помощи экзосом, вероятно, в ближайшее время станет доступна даже небольшим медицинским лабораториям, оснащенным обычной недорогой лабораторной микроцентрифугой. Этому способствует разработка очень простых, не требующих ультрацентрифугирования, методик выделения экзосом иммунопреципитацией с помощью моноклональных антител к поверхностным белкам экзосом, преципитации с помощью пептида Vn96, связывающегося с белком теплового шока на поверхности экзосомы, аффинным связыванием лектинами или осаждением с использованием полимеровTotal Exosome Isolation reagent supplied by Life Technologies. Менее чем из одного миллилитра сыворотки крови или другой биологической жидкости можно получить достаточное количество РНК или белка, чтобы провести экспресс-диагностику. В 2013 году компания Cell Guidance Systems выпустила специальные хроматографические колонки для выделения высокоочищенных экзосом из крови за 1-2 часа. Пока эти колонки предназначены только для исследовательских целей.
Разработаны высокочувствительные аналитические приборы и методы для быстрого изучения циркулирующих микровезикул непосредственно в образцах крови пациентов. Для анализа кровь пропускают через чип, в котором микровезикулы маркируют с помощью моноклональных антител, связанных с магнитными наночастицами, а затем выявляют с помощью миниатюрной системы использующей ядерный магнитный резонанс.