外泌體和生命現(xiàn)象——第三回 細胞老化和外泌體
公益財團法人癌研究會 愛研究所 細胞老化項目 岡田 遼
國立研究開發(fā)發(fā)熱科學技術(shù)振興機構(gòu) 高橋 曉子
◆前言
日本人的平均壽命每年都在持續(xù)延長，世人皆知如今日本已成為*的長壽國。然而，像癌癥、動脈硬化、阿爾茨海默病、肺纖維化、骨質(zhì)疏松等隨之而來的老年病的增加，已成為深刻的社會問題。老年病的發(fā)病原因各有不同，近有報道稱引發(fā)老年病的誘因之一，可能是隨年齡增長儲存在體內(nèi)的老化細胞。老化細胞是指在生物體內(nèi)發(fā)生了“細胞老化”、且細胞發(fā)生了不可逆停止增殖的細胞。*，老化細胞會分泌出各種炎癥蛋白；但我們研究發(fā)現(xiàn)老化細胞不僅分泌炎癥蛋白，還促進外泌體的分泌，因此老年病與外泌體的研究分析還在持續(xù)進行。本文主要就老化細胞分泌外泌體為中心的研究發(fā)展進行了概述。
◆細胞老化是什么
除去部分的組織干細胞，構(gòu)成我們身體的大部分細胞的分裂次數(shù)是有限的，正常的體細胞達到細胞壽命并不可逆地停止增殖的狀態(tài)稱為細胞老化1）。另外，就算添加活性正常的細胞至有致癌危險的應(yīng)激反應(yīng)（染色體縮短、癌基因的活化、氧化應(yīng)激等）中，還是會被細胞老化誘導(dǎo)而不可逆地停止增殖。因此，我們認為細胞老化與細胞凋亡相同，有防止異常細胞增殖、抑制癌癥的作用2）。然而，細胞老化不同于細胞死亡，老化細胞會在生物體內(nèi)*生存，因此隨著年齡的增長，體內(nèi)的老化細胞會越來越多3）。
另一方面，老化細胞中的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)會根據(jù)持續(xù)的dna損傷應(yīng)答而改變，如炎癥性細胞因子、趨化因子、基質(zhì)分解酶和增殖因子等各種炎癥蛋白基因活化表達4）。已知老化細胞會分泌炎癥蛋白到細胞外，這樣的細胞老化的表現(xiàn)型被稱為sasp（senescence-associated secretory phenotype）。從老化細胞中分泌出來的sasp因子會引發(fā)周圍組織的慢性炎癥，可以看出這很可能是形成老年病的原因5）。我們在分析老化細胞分泌的sasp因子的過程中發(fā)現(xiàn)，sasp因此還能促進老化細胞外泌體的分泌6)。
◆外泌體是什么
外泌體是直徑約為50~150 nm的細胞外囊泡，是細胞膜內(nèi)吞成為內(nèi)體，再成為多泡體而形成的。外泌體含有蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、核酸等細胞內(nèi)組成分子，并具有將其轉(zhuǎn)運到其它細胞的功能，因此近年來有報道稱外泌體具有細胞間信息傳遞的作用，引起了廣泛地關(guān)注7）。
◆細胞老化和外泌體
使用人正常纖維細胞誘導(dǎo)的具有分裂壽命的細胞老化（eplicative senescence）和癌基因rasv12活化的細胞老化（oncogene-induced senescence），用nta（nanoparticle tracking analysis）檢測外泌體的分泌量后，老化細胞的分泌量比年輕細胞高約30倍6）。因此，我們針對老化細胞中促進外泌體分泌的生物學機能進行了分析。分別敲除老化細胞中參與外泌體生物合成和分泌的alix 和 rab27a兩個基因，切斷外泌體的通道后誘導(dǎo)細胞凋亡狀的細胞死亡。
令人驚訝的是，即使是年輕增殖中的正常細胞，切斷外泌體的路徑也會激活dna損傷應(yīng)答和誘導(dǎo)細胞死亡，所以正常的細胞有可能會通過外泌體通道將有些有害物質(zhì)分泌到細胞外。因此，我們在探索分泌外泌體的正常細胞中引發(fā)dna損傷的誘導(dǎo)分子過程中，發(fā)現(xiàn)了其細胞質(zhì)中的基因組dna-片段。細胞質(zhì)中存在的dna-片段通過細胞質(zhì)dna傳感（cgas-sting 通道）被感知，從而引起自然免疫應(yīng)答。
總之，正常的細胞通過外泌體將有害的基因組dna-片段分泌到細胞外，防止對自身dna的自然免疫應(yīng)答。外泌體還作為如腺病毒等的外來性dna病毒感染的屏障，表明外泌體通道是維持細胞穩(wěn)定性的重要的生物體防御機制之一6）。
在正常的細胞中，細胞質(zhì)中的dna-片段可通過dnase2a 和 trex1等dna分解酶快速清除，但是我們發(fā)現(xiàn)老化細胞中dna分解酶的表達水平下降8）。為此，我們報道了在老化細胞中，儲存在細胞質(zhì)中的基因dna-片段通過激活dna感應(yīng)通道引起自然免疫應(yīng)答，誘導(dǎo)sasp，參與肥胖引起的肝癌的病發(fā)（圖1）。
圖1. 老化細胞和外泌體
◆作為sasp的外泌體
*，癌微環(huán)境中的老化細胞作為cafs（cancer-associated f ibroblasts）通過sasp因子促進癌細胞的增殖和轉(zhuǎn)移和浸潤。我們?yōu)榱苏{(diào)查老化細胞分泌的外泌體的機能，分別向從年輕細胞和老化細胞中回收外泌體片段，分別向其中添加乳癌細胞株（mcf-7），觀察到只有老化細胞分泌的外泌體片段對癌細胞的增殖有促進作用。
接著，從各個細胞中回收的外泌體片段進行蛋白質(zhì)組分析，結(jié)果顯示，在老化細胞分泌的外泌體中， ephlin-a2（epha2）（*激酶型受體之一的癌轉(zhuǎn)移促進因子）的含量顯著增加。并且，由于調(diào)節(jié)epha2去磷酸化的ptp1b失活，外泌體會選擇性地攝取被磷酸化的epha2，我們發(fā)現(xiàn)在老化細胞中，外泌體有存在決定裝載何種物質(zhì)的機制。
因此，指出老化細胞分泌的外泌體膜上的epha2與癌細胞中高表達的受體（ephlin-a1）相結(jié)合，通過激活下游的erk信號來促進癌細胞的增殖。在該研究中我們明確發(fā)現(xiàn)了老化細胞來源的細胞外分泌膜囊泡作為促進癌細胞增殖的sasp因子起作用9）。
◆結(jié)語
外泌體迄今為止作為細胞間信息傳遞工具的功能和診斷工具的實用性被關(guān)注并研究，但是細胞為何會分泌外泌體，其在生物學的意義上還有許多的未解之謎。近，有報道稱通過去除下丘腦干細胞和祖細胞的早衰癥模型小鼠實驗，調(diào)節(jié)下丘腦干細胞來源的外泌體中mirna量改變了老年病的發(fā)病速度和個體壽命10）。而且由于將有治療效果的特定的sirna和mrna加載到外泌體并送入靶細胞的技術(shù)不斷被開發(fā)11,12），所以期待今后外泌體可以不僅作為疾患的生物標記，還能作為 dds（drug delivery system）被有效運用。
◆參考文獻
１） hayflick, l. : exp. cell res., 37, 614 （1965）.
２） takahashi, a. et al. : nat. cell biol., 8, 1291 （2006）.
３） yamakoshi, k. et al. : j. cell biol., 186, 393 （2009）.
４） takahashi, a. et al. : mol. cell, 45, 123 （2012）.
５） he, s. et al. : cell, 169, 1000 （2017）.
６） takahashi, a. et al. : nat. commun., 8, 15287 （2017）.
７） tkach, m. and théry, c. : cell, 164, 1226 （2016）.
８） takahashi, a. et al. : nat. commun., 9, 1249 （2018）.
９） takasugi, m. et al. : nat. commun., 8, 15729 （2017）.
10） zhang, y. et al. : nature, 548, 52 （2017）.
11） kamerkar, s. et al. : nature, 546, 498 （2017）.
12） kojima, r. et al. : nat. commun., 9, 1305 （2018）
鮮葉農(nóng)殘檢測設(shè)備價格【行業(yè)報價】鮮葉農(nóng)殘檢測設(shè)備
實驗室反應(yīng)釜熔體泵如何拆卸和清洗
二手20米復(fù)合肥生產(chǎn)線閑置 使用原理
全自動隔膜壓濾機值得信賴嗎？
JA系列電子精密天平操作說明
外泌體和生命現(xiàn)象——第三回 細胞老化和外泌體
如何判斷是否買到注水豬肉，一張紙巾就能輕松鑒別
紅棗烘干除濕機，受熱均勻品質(zhì)好
醫(yī)療污水處理設(shè)備工藝特點
創(chuàng)新謀共贏 立林榮獲美的年度合作伙伴
濕電除塵器的安裝步驟
在糊盒糊箱時打磨糊口存在的問題_大氣plasma清洗機使用的必要性
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德國BERNSTEIN限位開關(guān)日常用途
垃圾滲濾液組合處理工藝法
空氣發(fā)生器使用注意事項分析
雙軸加濕攪拌機具備怎樣的性能
吸式比重去石機的特點及操作時注意事項
美科學家研發(fā)監(jiān)測氣體泄漏的中紅外雙頻梳激光光譜儀
磨粉機如何延長使用時間
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◆細胞老化是什么
除去部分的組織干細胞，構(gòu)成我們身體的大部分細胞的分裂次數(shù)是有限的，正常的體細胞達到細胞壽命并不可逆地停止增殖的狀態(tài)稱為細胞老化1）。另外，就算添加活性正常的細胞至有致癌危險的應(yīng)激反應(yīng)（染色體縮短、癌基因的活化、氧化應(yīng)激等）中，還是會被細胞老化誘導(dǎo)而不可逆地停止增殖。因此，我們認為細胞老化與細胞凋亡相同，有防止異常細胞增殖、抑制癌癥的作用2）。然而，細胞老化不同于細胞死亡，老化細胞會在生物體內(nèi)*生存，因此隨著年齡的增長，體內(nèi)的老化細胞會越來越多3）。
另一方面，老化細胞中的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)會根據(jù)持續(xù)的dna損傷應(yīng)答而改變，如炎癥性細胞因子、趨化因子、基質(zhì)分解酶和增殖因子等各種炎癥蛋白基因活化表達4）。已知老化細胞會分泌炎癥蛋白到細胞外，這樣的細胞老化的表現(xiàn)型被稱為sasp（senescence-associated secretory phenotype）。從老化細胞中分泌出來的sasp因子會引發(fā)周圍組織的慢性炎癥，可以看出這很可能是形成老年病的原因5）。我們在分析老化細胞分泌的sasp因子的過程中發(fā)現(xiàn)，sasp因此還能促進老化細胞外泌體的分泌6)。
◆外泌體是什么
外泌體是直徑約為50~150 nm的細胞外囊泡，是細胞膜內(nèi)吞成為內(nèi)體，再成為多泡體而形成的。外泌體含有蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、核酸等細胞內(nèi)組成分子，并具有將其轉(zhuǎn)運到其它細胞的功能，因此近年來有報道稱外泌體具有細胞間信息傳遞的作用，引起了廣泛地關(guān)注7）。
◆細胞老化和外泌體
使用人正常纖維細胞誘導(dǎo)的具有分裂壽命的細胞老化（eplicative senescence）和癌基因rasv12活化的細胞老化（oncogene-induced senescence），用nta（nanoparticle tracking analysis）檢測外泌體的分泌量后，老化細胞的分泌量比年輕細胞高約30倍6）。因此，我們針對老化細胞中促進外泌體分泌的生物學機能進行了分析。分別敲除老化細胞中參與外泌體生物合成和分泌的alix 和 rab27a兩個基因，切斷外泌體的通道后誘導(dǎo)細胞凋亡狀的細胞死亡。
令人驚訝的是，即使是年輕增殖中的正常細胞，切斷外泌體的路徑也會激活dna損傷應(yīng)答和誘導(dǎo)細胞死亡，所以正常的細胞有可能會通過外泌體通道將有些有害物質(zhì)分泌到細胞外。因此，我們在探索分泌外泌體的正常細胞中引發(fā)dna損傷的誘導(dǎo)分子過程中，發(fā)現(xiàn)了其細胞質(zhì)中的基因組dna-片段。細胞質(zhì)中存在的dna-片段通過細胞質(zhì)dna傳感（cgas-sting 通道）被感知，從而引起自然免疫應(yīng)答。
總之，正常的細胞通過外泌體將有害的基因組dna-片段分泌到細胞外，防止對自身dna的自然免疫應(yīng)答。外泌體還作為如腺病毒等的外來性dna病毒感染的屏障，表明外泌體通道是維持細胞穩(wěn)定性的重要的生物體防御機制之一6）。
在正常的細胞中，細胞質(zhì)中的dna-片段可通過dnase2a 和 trex1等dna分解酶快速清除，但是我們發(fā)現(xiàn)老化細胞中dna分解酶的表達水平下降8）。為此，我們報道了在老化細胞中，儲存在細胞質(zhì)中的基因dna-片段通過激活dna感應(yīng)通道引起自然免疫應(yīng)答，誘導(dǎo)sasp，參與肥胖引起的肝癌的病發(fā)（圖1）。
圖1. 老化細胞和外泌體
◆作為sasp的外泌體
*，癌微環(huán)境中的老化細胞作為cafs（cancer-associated f ibroblasts）通過sasp因子促進癌細胞的增殖和轉(zhuǎn)移和浸潤。我們?yōu)榱苏{(diào)查老化細胞分泌的外泌體的機能，分別向從年輕細胞和老化細胞中回收外泌體片段，分別向其中添加乳癌細胞株（mcf-7），觀察到只有老化細胞分泌的外泌體片段對癌細胞的增殖有促進作用。
接著，從各個細胞中回收的外泌體片段進行蛋白質(zhì)組分析，結(jié)果顯示，在老化細胞分泌的外泌體中， ephlin-a2（epha2）（*激酶型受體之一的癌轉(zhuǎn)移促進因子）的含量顯著增加。并且，由于調(diào)節(jié)epha2去磷酸化的ptp1b失活，外泌體會選擇性地攝取被磷酸化的epha2，我們發(fā)現(xiàn)在老化細胞中，外泌體有存在決定裝載何種物質(zhì)的機制。
因此，指出老化細胞分泌的外泌體膜上的epha2與癌細胞中高表達的受體（ephlin-a1）相結(jié)合，通過激活下游的erk信號來促進癌細胞的增殖。在該研究中我們明確發(fā)現(xiàn)了老化細胞來源的細胞外分泌膜囊泡作為促進癌細胞增殖的sasp因子起作用9）。
◆結(jié)語
外泌體迄今為止作為細胞間信息傳遞工具的功能和診斷工具的實用性被關(guān)注并研究，但是細胞為何會分泌外泌體，其在生物學的意義上還有許多的未解之謎。近，有報道稱通過去除下丘腦干細胞和祖細胞的早衰癥模型小鼠實驗，調(diào)節(jié)下丘腦干細胞來源的外泌體中mirna量改變了老年病的發(fā)病速度和個體壽命10）。而且由于將有治療效果的特定的sirna和mrna加載到外泌體并送入靶細胞的技術(shù)不斷被開發(fā)11,12），所以期待今后外泌體可以不僅作為疾患的生物標記，還能作為 dds（drug delivery system）被有效運用。
◆參考文獻
１） hayflick, l. : exp. cell res., 37, 614 （1965）.
２） takahashi, a. et al. : nat. cell biol., 8, 1291 （2006）.
３） yamakoshi, k. et al. : j. cell biol., 186, 393 （2009）.
４） takahashi, a. et al. : mol. cell, 45, 123 （2012）.
５） he, s. et al. : cell, 169, 1000 （2017）.
６） takahashi, a. et al. : nat. commun., 8, 15287 （2017）.
７） tkach, m. and théry, c. : cell, 164, 1226 （2016）.
８） takahashi, a. et al. : nat. commun., 9, 1249 （2018）.
９） takasugi, m. et al. : nat. commun., 8, 15729 （2017）.
10） zhang, y. et al. : nature, 548, 52 （2017）.
11） kamerkar, s. et al. : nature, 546, 498 （2017）.
12） kojima, r. et al. : nat. commun., 9, 1305 （2018）
鮮葉農(nóng)殘檢測設(shè)備價格【行業(yè)報價】鮮葉農(nóng)殘檢測設(shè)備
實驗室反應(yīng)釜熔體泵如何拆卸和清洗
二手20米復(fù)合肥生產(chǎn)線閑置 使用原理
全自動隔膜壓濾機值得信賴嗎？
JA系列電子精密天平操作說明
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