多篇文章解读外泌体蛋白质组学的重要研究成果

2018-11-07 17:12:04, Dr.Proteomics 杭州景杰生物科技股份有限公司

景杰生物/报道

外泌体是一种由细胞分泌的膜性囊泡小体，主要负责细胞间的物质运输和信息传递，调控许多基本的生理过程，如神经元通信、抗原呈递、免疫反应、器官发育和生殖过程。2013年诺贝尔生理学或医学奖表彰了三位发现细胞内部囊泡（外泌体）的运输调控机制的科学家，引发了科学家对外泌体研究的重新认识。此后，外泌体在肿瘤等科学研究进程中的重要地位一再被高端学术文章提及。

外泌体含有蛋白质、核酸等生物大分子，如今随着科学家们研究的深入，研究发现外泌体中的蛋白质不仅影响细胞的生理状态，而且还与多种疾病的发生与发展密切相关。近日，Nature、Oncogene、PNAS等国际专业学术杂志分别报道了外泌体蛋白质组学，在疾病的生物标记物筛选、代谢疾病研究、肿瘤转移机制、免疫调控等领域的相关研究进展，我们对此进行整理，分享给大家！

肿瘤免疫

【1】Nature：PD-L1蛋白--癌细胞抑制抗肿瘤免疫反应的“洲际导弹”

Gang Chen, et al. (2018) Exosomal PD-L1 contributes to immunosuppression and is associated with anti-PD-1 response. Nature.

摘要：癌症治疗中成功的创新之一是使用免疫检查点抑制剂药物，这类药物旨在阻止癌细胞抑制免疫系统而让肿瘤茁壮成长和扩散的企图。这类药物的主要靶标之一是PD-1，即一种位于T细胞表面上的蛋白。

目前已知癌细胞在它们的表面上携带PD-L1的对应分子，它与T细胞表面上的PD-1蛋白相互作用，关闭T细胞的抗癌反应。使用免疫检查点抑制剂阻断这种相互作用让T细胞重新活跃，从而激活T细胞杀伤癌细胞的能力。

8月8日刊登在Nature的这篇文章中，研究人员发现来自人类黑色素瘤细胞的外泌体也携带着PD-L1蛋白。外泌体PD-L1如图“洲际导弹”，可直接结合T细胞并抑制这些T细胞的功能。

尽管这项研究主要针对转移性黑色素瘤，但是这些研究人员发现乳腺癌和肺癌的外泌体中也会携带PD-L1蛋白。这项研究以一种颠覆现有观念的方式展示了癌症如何采取一种系统性方法来抑制免疫系统，它还指出了鉴定血液中的生物标志物，可能有助于及早预测哪些癌症患者能够选择抗PD1疗法（anti-PD1 therapy）作出反应，并提供一种治疗效果的方法。

【2】Oncogene：外泌体中SMAD3蛋白通过调节循环肿瘤细胞的粘附促进肿瘤转移

Fu, Q., et al. (2018) Primary tumor-derived exosomes facilitate metastasis by regulating adhesion of circulating tumorcells via SMAD3 in liver cancer. Oncogene.

摘要：肝细胞癌（HCC）是一种致命疾病，HCC患者常死于癌细胞转移，然而HCC转移的机制尚不完全清楚。浙江大学医学院梁廷波教授、白雪莉教授课题组研究发现，HCC患者外周血中存在SMAD3蛋白丰富的外泌体，其水平与原发肿瘤的疾病分期和SMAD3表达有关。HCC细胞以paracrinal/endocrinal方式促进癌细胞增殖和肺转移形成，该HCC衍生的外泌体中SMAD3蛋白介导了这种现象，增强细胞粘附来促进肿瘤转移。

附着的HCC细胞释放的外泌体中含有SMAD家族成员3（SMAD3）蛋白，这些外泌体被递送到脱离的HCC细胞并促进它们的粘附。这些外泌体在受体HCC细胞中诱导增强的SMAD3信号传导并增加其粘附能力。研究提出了原发性HCC支持转移形成的可能机制，并揭示了SMAD3在外泌体介导的原发性和循环性HCC细胞之间的串扰中的作用。

【3】J Exp Clin Cancer Res：外泌体THBS1蛋白促进口腔鳞状细胞癌的恶性迁移

Xiao, M., et al. (2018) M1-like tumor-associated macrophages activated by exosome-transferred THBS1 promote malignant migration in oral squamous cell carcinoma. J Exp Clin Cancer Re.

摘要：癌症领域已经提出了靶向肿瘤相关巨噬细胞（TAM）的治疗策略，但是人类上皮癌肿瘤发生过程中微环境中巨噬细胞的功能改变仍然知之甚少。

上海交通大学九院的科学家从正常口腔上皮细胞，口腔粘膜白斑细胞和口腔鳞状细胞癌（OSCC）细胞中收集条件培养基和外泌体上清液。运用细胞内信号通路分析，质谱蛋白质组学、蛋白质印迹、酶联免疫吸附测定，和生物信息学分析，探讨了OSCC发展过程中巨噬细胞的表型改变潜在的机制。

结果表明巨噬细胞在早期阶段通过p38、Akt和SAPK/JNK信号传导被OSCC细胞释放的外泌体激活。血小板凝血酶蛋白家族THBS1蛋白参与巨噬细胞极化到M1样的转化，促进口腔鳞状细胞癌恶性转移。本文基于OSCC的外泌体提出了癌细胞和巨噬细胞之间的新型旁分泌环。也揭示一种OSCC中癌性迁移的治疗靶标。

疾病机理

糖尿病：

【4】ACSNano：蛋白组学揭示人脐带MSC的外泌体通过逆转胰岛素抵抗和缓解β细胞损伤减轻II型糖尿病

Sun, Y., et al. (2018). Human Mesenchymal Stem Cell Derived Exosomes Alleviate Type 2 Diabetes Mellitus through Reversing Peripheral Insulin Resistance and Relieving beta-Cell Destruction. ACSNano.

摘要：间充质干细胞MSC已被证明可以在动物模型和临床试验中减轻糖尿病的症状，来自人脐带MSC（hucMSC-ex）的外泌体可以修复肝纤维化、急性肾损伤和皮肤伤口愈合，在组织再生和损伤修复方面表现出类似（MSC）效果。

来自江苏大学钱晖、许文荣研究团队在ACS Nano杂志上发表文章，来自人脐带MSC的外泌体对II型糖尿病（T2DM）同样具有治疗效果。

研究人员通过基于质谱的蛋白质组学技术，鉴定了人脐带MSC衍生的外泌体，发现葡萄糖代谢相关蛋白在外泌体中富集。HucMSC-ex可以通过促进肌肉中GLUT4的表达和膜转运以及依赖于胰岛素的肝糖原储存来恢复T2DM的葡萄糖稳态。静脉输注hucMSC-ex可以通过增强外周器官胰岛素敏感性和减轻胰岛破坏来降低T2DM大鼠的血糖水平，表现出理想的缓解糖尿病的能力。

【5】PNAS：蛋白组学揭示糖尿病中内皮功能障碍的新机制

Zhang, H., et al. (2018) Serum exosomes mediate delivery of arginase 1 as a novel mechanism for endothelial dysfunctionin diabetes. PNAS.

摘要：外泌体可向受体细胞输送各种分子。内皮细胞直接暴露于循环物质。然而，内皮细胞对血清外泌体（SExos）的反应以及糖尿病相关血管病变的影响从未被探索过。

7月17日，香港中文大学的研究者研究发现来自糖尿病db/db小鼠的血清外泌体（db/db SExos）被主动脉内皮细胞摄取，严重损害非糖尿病db/m（+）小鼠的内皮功能。并且发现db/db SExos诱导内皮功能障碍主要归因于外泌体中的蛋白质而不是RNA等核算分子。

因此，研究人员深入研究，运用定量蛋白质组学分析发现db/db SExos中精氨酸酶1显著增加，SExos将精氨酸酶1蛋白质递送至内皮细胞，代表了糖尿病内皮功能障碍发展过程中的细胞机制。该结果揭示了精氨酸酶1作为监测血管稳态的生物标记物的巨大价值。

缺血修复

【6】Cell Physiol Biochem：人尿源干细胞分泌的细胞外囊泡促进小鼠后肢缺血模型的缺血修复

Zhu, Q., et al. (2018) Extracellular Vesicles Secreted by Human Urine-Derived Stem Cells Promote Ischemia Repair in a Mouse Model of Hind-Limb Ischemia. Cell Physiol Biochem.

摘要：人尿源性干细胞（UCSs）作为细胞治疗和组织工程的细胞来源具有很大的潜力。来自上海交通大学附属六院的研究者通过组织学和免疫组织化学技术，观察人尿源性干细胞来源的外泌体UCS-EVs对血管生成和肌肉再生的治疗作用，检测分析UCS培养物中EVS和上清液中可能存在的生长因子。

结果显示UCS-EVs中表达CD9、CD63、TSG101等外显子标记。UCS EVS治疗组的血管生成和肌肉再生水平显著提高。体外实验表明，UCS-EVs促进HMEC-1和C2C12细胞的增殖。这些结果首次显示UCS-EVS能有效减轻严重的后肢缺血性损伤，为下肢缺血试验HLI提供了一种新的治疗方法。

软骨形成

【7】J Cell Mol Med：外泌体中组蛋白去乙酰化酶2/8调节软骨形成和软骨降解

Mao, G., et al. (2018) Exosomal miR-95-5p regulates chondrogenesis and cartilage degradation via histone deacetylase 2/8. J Cell Mol Med.

摘要：骨关节炎是最常见的慢性退行性关节病，5月31日，中山大学第一附属医院的研究者在专业学术期刊 J Cell Mol Med发表研究成果，通过研究骨关节炎患者的组织和软骨细胞分泌的外泌体，揭示了外泌体中HDAC2／8可促进软骨生成并防止骨关节炎的发生，并显示出HDAC2／8抑制剂可作为一种潜在的疾病修饰性骨关节炎药物。

研究人员发现，骨关节炎软骨细胞分泌的外泌体中miR 95’5p的表达明显低于正常软骨，通过Western blot分析及免疫组化分析发现MIR 95 -5p可通过直接靶向HDAC2／8促进软骨生成并防止骨关节炎的发生，miR－95～5p抑制HDAC2／8的3个非翻译区的报告构建体的活性，抑制HDAC2／8的表达，促进软骨基质表达。

生物标记物

可作为生物标记的生物分子：核酸、蛋白质和代谢物。其中核酸在体液中容易被降解，代谢物在体内处于剧烈的动态变化，使得这两种生物分子在临床的运用受到限制。相比之下，蛋白质更加适合作为疾病的生物标志物，也因此目前的大部分有效生物标志物是蛋白质。

所有的细胞都会分泌外泌体。比起正常细胞，病变的细胞尤其是肿瘤细胞会分泌更大量的外泌体。这些外泌体进入到外周血当中，可以被收集并作为一种肿瘤早期筛查的靶标。因此外泌体在近些年成为了生物标记物筛选领域最热门的话题之一，而外泌体蛋白质更是作为一种独特的检测靶标而备受关注。

【8】J Exp Clin Cancer：外泌体TRIM3可作为胃癌诊断和治疗的新标记物

Fu, H., et al. (2018). Exosomal TRIM3 is anovel marker and therapy target for gastric cancer. J Exp Clin Cancer.

摘要：TRIM家族蛋白是RING型E3泛素连接酶的亚家族之一，被认为是肿瘤过程的关键调节因子,在多种生物过程中发挥重要作用，如细胞增殖、细胞分化、DNA修复，转录调控和细胞凋亡。

江苏大学的许文荣、钱晖课题组从胃癌患者的血清中分离出外泌体，并鉴定了血清外泌体的蛋白质组谱。研究发现，与健康对照组相比，胃癌患者血清外泌体中TRIM3蛋白水平降低。TRIM3在胃癌中发挥肿瘤抑制作用，TRIM3可通过外泌体转运，调节干细胞因子和EMT调节因子，在体外和体内抑制胃癌的生长和转移。结果揭示了外泌体TRIM3可作为胃癌诊断和治疗的新标记物。

【9】Hepatology：鉴定血清外泌体中与胆管癌相关的蛋白生物标志物

Ander Arbelaiz, et al. (2017) Serum extracellular vesicles contain protein biomarkers for primary sclerosing cholangitis and cholangiocarcinoma. Hepatology.

摘要：胆管癌（CCA）是恶性度较高的消化系统肿瘤。因其发展隐蔽且临床症状及体征出现晚，故给早期诊断带来困难。原发性硬化性胆管炎（PSC）是导致胆管癌的主要原因之一。在非侵染时期，鉴定肝内的胆管癌及肝癌（HCC）是非常困难的。目前尚未有准确区分CCA，PSC，及HCC的生物标记物。

为了寻找新的生物标志物，研究者利用高效的外泌体分离方法，分别从CCA、PSC，和HCC患者的血清样本中分离得到外泌体，运用蛋白质组学技术从中筛选出新的生物标记物，具有作为临床诊断工具的潜在应用价值，研究结果发表在国际专业学术期刊Hepatology上。

【10】Cancer Sci：外泌体蛋白ZIP4是胰腺癌的新型诊断生物标志物

Jin, H., et al. (2018) Exosomal zinc transporter ZIP4 promotes cancer growth and is a novel diagnostic biomarker for pancreatic cancer. Cancer Sci.

摘要：胰腺癌是最致命的癌症之一，疾病发展迅速，需要进一步阐明其潜在的分子机制和新的生物标志物用于早期检测。外泌体蛋白质是一种备受关注的生物标记物。

7月14日，中国医科大学盛京医院的研究者在Cancer Science发表研究结果，文中从高度恶性胰腺细胞系中分离获得外泌体，并可增强PC-1（中度恶性胰腺细胞系）的细胞增殖、迁移和侵袭能力。

研究者运用定量蛋白质组分析中，鉴定出锌转运蛋白ZIP4是高度恶性胰腺细胞系中最上调的外体蛋白。并且通过皮下BALB/C裸小鼠模型研究表明，外泌体ZIP4可以显著促进胰腺癌的生长。最后研究者在放大的临床血液样本：胰腺癌患者（n＝24）和良性胰腺疾病患者（n＝32）和胆道疾病患者（n＝32）和健康对照组（n＝46），对蛋白标记物ZIP4进行验证。综上所述，外泌体ZIP4促进肿瘤生长，是胰腺癌的一种新的诊断生物标志物。

【11】Matrix Biol：αvβ3整联蛋白可作为前列腺癌的治疗靶点

Shiv RamKrishn, et al. (2018) Prostate cancer sheds the αvβ3 integrin in vivo through exosomes.Matrix Biol.

摘要：前列腺癌是男性生殖系统最常见的恶性肿瘤，整联蛋白αVβ3已被证明在许多类型的癌症，包括前列腺癌中促进侵袭表型。8月8日 ,专业学术期刊Matrix Biology（IF 8.136）报道，整联蛋白αVβ3通过外泌体转移到受体细胞，揭示了在前列腺癌发病中的作用和潜在的治疗靶点

研究者首次从前列腺癌患者外周血中分离出整联蛋白αvβ3，发现与正常样本相比，前列腺癌患者血浆中的αVβ3和CD9水平更高。αVβ3表达在一个由PSMA、CD9、CD63和上皮特异性标记TROP-2所表征的外泌体的子集中，通过前列腺癌患者血浆中的胞外小泡在细胞间传递。

结果表明，前列腺癌患者外周血αVβ3可能是一种临床有用的和非侵入性的生物标志物来追踪前列腺癌的进展。此外，αVβ3从EXVs转移到受体细胞的能力为进一步研究αVβ3在前列腺癌发病中的作用和潜在的治疗靶点提供了有力的理论依据。

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往期精彩回顾

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2018年蛋白质组学JCR（期刊引用报告）

外泌体医学：外泌体相关医学研究统计——蛋白质组学篇

外泌体标记物：Hepatology：鉴定血清外泌体中胆管癌相关蛋白标志物