昨日的棄土 明日的寶山 - 認識胞外體 Exosome 開啟研究新領域



胞外體 (外泌體, exosome) 是存在於真核生物中,用於包覆物質並釋放至細胞外的特殊小囊泡。這些小囊泡平均大小落在 30-100 nm 之間,在不同狀態、不同微環境產生的外泌體亦有不同的組成。我們可以把這些細胞釋放出來的小囊泡,想像成生物體當中的快遞收送人員,蒐集許多的貨物並運送 (擴散) 至指定的鄰近細胞或其他位置,進而來控制生物表現。其實在生物體中,細胞間的溝通有許多種方式,例如透過內分泌系統的激素來調節生長發育、或是透過免疫反應輸送抗體來防禦抵抗外來病原,但本次所分享的外泌體更為直接,能夠藉由包裹的蛋白質、microRNA、mRNA 等來有效率地控制細胞基因表現和蛋白質功能的表達。

最早在 1980 年,就有醫學研究發現在癌症病人身上有特殊的包裹囊泡,將專屬癌症組織的抗體 (antibody) 由媽媽傳遞給新生兒而造成細胞表現異常1,然而對比其他胎盤組織的細胞卻沒有直接產生變異。有了這個前例,醫學研究開始發現有許多過去認定細胞變異造成的異常,其實是由於這個小型的細胞快遞員進行細胞溝通所造成,而不是細胞原生的惡化或突變。舉例來說,在 1996 年,Raposo 等人的研究中發現,過去認為只會在免疫 B 細胞上形成的 major histocompatibility complex (MHC) II 複合體,透過顯微攝影發現複合體同樣能被包裹在 exosome 中,外吐到鄰近的上皮細胞,並且再度融合在一般上皮細胞上,使之短暫地扮演誘導 T 細胞活化的功能2。於下圖顯微鏡觀察可以清楚看見,黑色顆粒代表以奈米粒子標定 MHC II 的成像,緊貼於 exosome 表面攜帶 (粒徑尺寸約為 60-80 nm,遠比 B cell 小)  .可以觀察到同樣標定 MHC II,黑點皆座落在體細胞膜並累積,有明顯轉移的現象。


有了免疫學和癌症學的研究開啟新局,exosome 引起科學界廣泛的重視。後續研究中,Simpson 等人統整 exosome 能夠攜帶的特殊蛋白質,有些能夠一次性包裹多種蛋白至不同細胞來影響整體的細胞功能,特殊的多型性對於接受 exosome 的細胞來說,甚至比激素或細胞自身的調控影響還巨大3

在 2003 年的發表文獻中,第一次提供證據顯示 exosome 能夠包裹完整的 HIV 膜蛋白和表面抗原,形成類 HIV 的顆粒並釋放到細胞中4。如文獻下表顯示,利用抗體法捕捉類 HIV 囊泡,同時驗證這些類 HIV 囊泡其實帶有常見 exosome 專屬的蛋白 (如 Lamp1, MHCII),同時又含有大量的常見 HIV 包裹蛋白 (CD63, MHC I)。


在基因層次的研究也有新發現,如果 exosome 中包裹了 mRNA 或 microRNA,在近似物種間的轉移也能直接影響後續的基因表達。Valadi 等人的研究中,就採用人類和小鼠的細胞株進行研究,發現在人類細胞培養液中可以分離到大量 exosome,內含多種在細胞中表現量非常低的 mRNA,該 exosome 可以攜帶這群 mRNA 直接傳遞給小鼠細胞株與其他人類細胞,並且可以在接受的細胞中直接看到相關基因表現狀況被造成影響5。彙整不同批次體細胞 mRNA 的基因總表現狀況,兩兩互比呈現協直線線性關係,線性回歸係數高達99%,表示體細胞 mRNA 表現狀況很穩定。然而取體細胞與 exosome 中的 mRNA 進行兩兩互比,可發現表現類型差異非常大,線性回歸係數僅 0.0095。
再者利用放射線標定由 exosome 攜帶的 MC/9 mRNA,隨後轉染到 CD4 細胞、MC/9 細胞與 HMC-1 細胞中,觀察放射線移轉的基因量。結果觀察作為控制細胞的 CD4 並無明顯上升,反觀能使用 MC/9 的 MC/9 細胞及 HMC-1 細胞都能看到明顯的放射線轉移,顯示這些接受細胞確實會使用 exosome 所攜帶的 mRNA 來啟動基因表現。
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參考資料 :
  1. Taylor DD, Homesley HD, Doellgast GJ. Binding of specific peroxidase-labeled antibody to placental-type phosphatase on tumor-derived membrane fragments. Cancer Res. 1980 Nov;40(11):4064-9.
  2. Raposo G, Nijman HW, Stoorvogel W, Liejendekker R, Harding CV, Melief CJ, Geuze HJ. B lymphocytes secrete antigen-presenting vesicles. J Exp Med. 1996 Mar 1;183(3):1161-72.
  3. Simpson RJ, Jensen SS, Lim JW. Proteomic profiling of exosomes: current perspectives. Proteomics. 2008 Oct;8(19):4083-99.
  4. Nguyen DG, Booth A, Gould SJ, Hildreth JE. Evidence that HIV budding in primary macrophages occurs through the exosome release pathway. J Biol Chem. 2003 Dec 26;278(52):52347-54.
  5. Valadi H, Ekström K, Bossios A, Sjöstrand M, Lee JJ, Lötvall JO. Exosome-mediated transfer of mRNAs and microRNAs is a novel mechanism of genetic exchange between cells. Nat Cell Biol. 2007 Jun;9(6):654-9.

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