Sci. Adv：细胞吐的小泡泡，竟能“扩散”免疫反应

包括人类在内的复杂生物拥有数量庞大的细胞，它们各司其职，密切配合，才使生命系统能够正常运转。这么多细胞如何相互转递信息和物质呢？这都有赖于一类细胞吐出来的小泡泡：细胞外囊泡（Extracellular Vesicles，EVs）。EVs是一种脂质双分子膜包裹的膜结构，以携带蛋白质、核酸、脂类分子等多种生物分子，以实现细胞间通讯、物质输运和排泄废物等功能。自1983年科学家首次在绵羊网织红细胞中发现EVs，囊泡研究方兴未艾。2013年的诺贝尔生理学或医学奖就颁发给了三位研究囊泡的科学家：James E. Rothman、Randy W. Schekman 和 Thomas C. Sudhof。

细胞外囊泡示意图。Exosome（外泌体）：由内体分泌到细胞外，大小为30-200 nm的囊泡；microvesicles（微泡）：由细胞膜分泌，大小为200-1000 nm的囊泡）。图片来源：Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 2018, 19, 213

近年来，EVs在细胞生理和病理机制中的作用研究成为一大热门领域。清华大学药学院尹航教授（点击查看介绍）课题组已在囊泡相关生物机制、生物技术等领域取得了系列成果。最近，该课题组发现，天然免疫蛋白Toll样受体9（TLR9）配体寡聚核苷酸（ODN）能够刺激巨噬细胞分泌炎性EVs，受体细胞摄入炎性EVs后也将激活自身TLR9信号。更为有趣的是，炎性EVs还会激活受体细胞中的Cdc42蛋白，以此增强受体细胞摄取EVs的能力。这项工作首次揭示了EVs在Toll样受体激活条件下传递免疫信号的分子机制，填补了EVs摄取过程中分子调节机制的空白。

Toll样受体（toll-like receptors, TLRs）是天然免疫中一类非常重要的模式识别受体，能够识别多种外源性或内源性刺激物，从而激活下游的免疫反应。TLRs通路的紊乱或失调会引起机体产生各类炎症反应或自身免疫性疾病，如系统性红斑狼疮、类风湿性关节炎等。已知单链核酸ODN可以激活TLR9，然而这种免疫激活是否能在细胞间传递却尚不可知。为此，研究者建立了一种新颖的双细胞培养系统：表达 Cre基因的蓝细胞系和表达LoxP基因的红细胞系。两种颜色的细胞系被滤膜分隔开，不会彼此混合。滤膜直径为400 nm，蓝细胞系分泌的带有蓝色蛋白的EVs可以轻松通过，并与红细胞系相遇。当红细胞系摄入了分泌蓝色EVs后，Cre重组酶会诱导产生Cre-LoxP重组，导致红细胞系表达红色荧光的基因被切除，并开始表达绿色荧光的基因。与此同时，带有荧光标记的OND也被观察到会随着蓝色EVs传递到受体细胞中。

Cre-LoxP重组系统示意图。图片来源：Sci. Adv.

超分辨显微成像观察细胞对EVs的摄入情况。青色：Cre-CFP细胞；绿色：GFP报告细胞；红色：LoxP-DsRed-LoxP-GFP细胞。图片来源：Sci. Adv.

故事到这里还没结束。受体细胞摄入炎性EVs后除了激活了TLR9，还会发生哪些变化？带着这种疑问，研究人员对摄入EVs后的受体细胞进行了蛋白质组学的分析，发现Cdc42蛋白有明显上调。Cdc42蛋白为细胞分裂周期蛋白，属于Rho家族的小G蛋白，调控多种细胞功能相关的信号通路。

蛋白质组学分析结果。图片来源：Sci. Adv.

研究者证明了ODN-EV能够刺激受体细胞释放炎症因子TNF-α，进一步激活受体细胞中的Cdc42蛋白，从而阐述了ODN刺激供体细胞，并将炎症信号传递至受体细胞的较为完整的分子机制。

细胞外囊泡介导巨噬细胞间TLR9信号传导机制示意图。蓝色：Cre-CFP细胞，红色：LoxP-DsRed-LoxP-GFP细胞，箭头表示囊泡和生物大分子运动方向。图片来源：Sci. Adv.

实际上随着研究的逐渐深入，人们发现囊泡这种细胞吐出的小泡泡的生理功能异常丰富。正如约翰霍普金斯大学医学院的Witwer教授评价的那样，这些囊泡充当了细胞间远程通讯平台，它们把感染信息传播到未直接暴露的细胞中，并使这些细胞更加敏感。这对细胞间通讯的机制研究和感染性疾病新疗法的研究都有重要意义。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Extracellular vesicles derived from ODN-stimulated macrophages transfer and activate Cdc42 in recipient cells and thereby increase cellular permissiveness to EV uptake

Ying Zhang, Xue Jin, Jiaqi Liang, Yilan Guo, Gaoge Sun, Xianfeng Zeng, Hang Yin

Sci. Adv., 2019, DOI: 10.1126/sciadv.aav1564

感谢论文的第一作者张莹博士以及合作者梁家琦、靳学对成稿的帮助

导师介绍

尹航

https://www.x-mol.com/university/faculty/46697

（本文由氘氘斋供稿）