20世纪80年代,细胞外囊泡(extracellular vesicles,EVs)被认为是细胞废物.近年来,有关EVs的研究在相关领域全面展开,研究结果显示,EVs在介导和调节与生理和病理过程相关的细胞通讯中起关键作用
[1].EVs携带来自宿主细胞的多种活性成分,如脂质、蛋白质、mRNA和microRNA
[2],EVs表面受体使它们能够靶向受体细胞并被受体细胞捕获.此外,EVs可被邻近和远处的细胞选择性地摄取,以作为细胞间信号传导和生物功能调节的重要因子
[3].根据来源,EVs可分为外泌体、微囊泡和凋亡囊泡:外泌体的大小为30~150 nm,外泌体由多泡内体(multivesicular endosome,MVE)分泌产生,与细胞表面融合后释放,成为内体系统的中间体.微囊泡的大小为50~1 000 nm,与外泌体不同,微囊泡通过胞吞作用、胞吐作用分泌.微囊泡和外泌体的主要区别在于,微囊泡的分泌过程不涉及细胞内膜.相比之下,程序性细胞死亡过程中产生的凋亡小体是细胞外囊泡中最大的一种,通常凋亡囊泡大小为1~5 μm
[4].EVs可调节不同的生物过程,如细胞运动、分化、增殖、凋亡和免疫.目前,关于EVs的生物发生与组分分选、细胞外动力学特征与组分的功能递送等研究是热点领域.近年来,EVs在细菌和病毒感染过程中的免疫调控作用引起人们的极大兴趣
[5].研究结果表明
[6],多种外部刺激可调节EVs的形成和分泌,来自宿主细胞的EVs,通过多种机制刺激或抑制宿主先天免疫反应,进而限制或促进病原体感染.如流感病毒感染小鼠后,宿主细胞分泌在气道中的外泌体,已被证明含有具有抗流感活性的宿主蛋白和能够触发宿主免疫反应的病毒蛋白
[7].文中综述EVs在细菌和病毒感染过程中的相关作用研究,总结病原体感染引起EVs发生差异化,EVs差异化组分在调控宿主抗细菌、病毒感染免疫中的作用.
1 生理状态/感染状态下细胞分泌的EVs差异
1.1 EVs发生机制
EVs是内吞作用的产物.早期内涵体(early-sorting endosomes, ESEs)由细胞质膜内陷形成,不同ESEs融合并发育成晚期内涵体(late-sorting endosomes, LSEs),LSEs再进一步形成细胞内多膜体(multivesicular bodies,MVBs),MVBs与质膜融合并将成熟的EVs释放到细胞外
[8-9].EVs的生物发生需要胞内体分选复合物(endosomal sorting complex required for transport, ESCRT)和相关蛋白质(Hrs,CHMP4,VPS4,VTA1,TSG101,ALIX)参与.ESCRT是一种保守的蛋白质复合物,由大约20种蛋白质组成,包含4个复合物(ESCRT-0,ESCRT-I,ESCRT-II,ESCRT-III),其中,ESCRT-0,ESCRT-I,ESCRT-II可经筛选包裹进入EVs组分,ESCRT-III参与内体膜变形并形成EVs
[10].此外,神经酰胺、磷脂酶D2(Phaspholipase D2,PLD2)、ADP核糖基化因子6(ADP ribosylation factor 6,arF6)、四跨膜蛋白CD63,CD81也可介导细胞并通过ESCRT的非依赖性途径形成和分泌EVs(
图1)
[11-12].但是,由于内吞作用的复杂性,迄今为止外泌体释放的机制尚不明确 .
1.2 EVs存在明显差异
正常生理状态下,EVs的生物发生在维持体内平衡和促进生物体修复方面发挥着不可忽视的作用.在病理状态下,EVs的生物发生及组成可能因活化阶段、病原感染、外源刺激、肿瘤转化和亲本细胞的活力而不同.大量的研究结果显示,病原体感染会导致细胞分泌的EVs发生改变,具体表现为EVs的大小、含量和来源的异质性发生改变,影响EVs受体细胞的存活、死亡、炎症和免疫反应,或协助病原体进入和停留在受体细胞中.
1.2.1 EVs数量的改变
随着感染病原体细胞的活性改变、病原与宿主细胞之间的相互作用,宿主细胞分泌的EVs数量会发生改变.轮状病毒(rotavirus,RV)感染研究结果显示
[13],RV感染人肠道上皮细胞的培养基中含有大量热休克同源蛋白70(heat shock protein 70, Hsps70)、转化生长因子-
β(transforming growth factor-
β,TGF-
β)和其他EVs蛋白,这表明RV感染会促进人肠道上皮细胞的EVs释放.此外,病原体也会驱动EVs产生,如小鼠卡介苗感染研究结果显示
[14],细菌载量在感染后第10天达到峰值后逐渐下降;血清中的EVs浓度显示出相似的动力学特征;感染小鼠血清中的EVs峰值,相比未感染小鼠,大约高出100倍.近期的研究结果表明
[15],病原体感染可导致EVs标志物蛋白细胞内合成,同时促进感染细胞的EVs组装和分泌.如埃博拉病毒(Ebola virus,EBOV)的基质蛋白40(VP40)在感染条件下,可诱导EVs标志性蛋白CD63、凋亡诱导因子相互作用蛋白X(ALIX)和运输所需的ESCRT-II蛋白复合物高表达,进而促进EVs的生物发生.
1.2.2 EVs膜结构的改变
EVs膜的结构可因感染而发生变化,包括结构蛋白和脂质数量的改变
[16].研究结果表明
[17],线虫病感染后,EVs膜中缩醛磷脂的含量增加而胆固醇、鞘磷脂的含量降低;结核分枝杆菌(
Mycobacterium tuberculosis,
M. tuberculosis)感染巨噬细胞后,41种蛋白质在
M. tuberculosis感染细胞分泌的外泌体中含量显著升高,其中,26种为膜蛋白
[18];在钩端螺旋体感染大鼠尿液的EVs中,膜蛋白中丙氨酰氨肽酶(CD13)的含量显著增加
[19].
1.2.3 EVs组分的改变
大量的研究结果显示
[20-36],病原体感染宿主细胞会导致EVs组分显著变化,引起宿主细胞中核酸物质、蛋白质、多糖及脂质等物质的含量发生改变,此外,病原体相关物质也可被包裹进入EVs(
表1).
2 感染状态下细胞释放的EVs调控免疫反应
2.1 EVs促进宿主免疫反应
细菌感染宿主细胞期间释放的EVs,影响宿主免疫反应和感染结局.研究结果表明
[37-38],
M. tuberculosis作为一种胞内寄生细菌,感染人巨噬细胞(THP-1)和小鼠巨噬细胞(RAW 264.7)后释放的外泌体,可诱导TNF-
α,iNOS,IL-12产生并募集巨噬细胞和中性粒细胞,以调节宿主细胞免疫反应.
M. tuberculosis感染间充质干细胞(mesenchymal stem cells, MSCs)后分泌的外泌体,以TLR2,TLR4,Myd88依赖的方式促进TNF-α,RANTES,iNOS产生,并诱导巨噬细胞炎症反应
[39].上述研究结果表明,来自
M. tuberculosis感染细胞的EVs可激活和募集宿主免疫细胞,进而影响宿主细胞的先天性和获得性免疫反应.沙门氏菌感染的巨噬细胞释放的外泌体可促进人单核细胞炎症反应
[32].大肠杆菌(
Escherichia coli,
E.coli)感染的脑微血管内皮细胞(brain microvessel endothelial cells, BMECs)释放的外泌体,也可促进星形胶质细胞的炎症反应
[40].马尔尼菲蓝状菌(
Talaromyces marneffei)感染人巨噬细胞后释放的外泌体,可促进人巨噬细胞中ERK1/2通路的激活及IL-10,TNF-α的分泌,进而诱导炎症反应
[41].尿路致病性大肠埃希菌(uropathogenic
Escherichia coli, UPEC)感染会诱导膀胱上皮细胞(mouse bladder cancer cells)MB49分泌大量外泌体,然后通过靶向抗癌基因PTEN和激活MAPK/JNK信号通路,诱导巨噬细胞TNF-α表达
[35].从副链球菌(
Streptococcus parauberis,
S. parauberis)感染的橄榄比目鱼血浆中分离出的外泌体,可促进RAW264.7细胞上调IL-1
β,TNF-
α表达
[42].鼠伤寒沙门氏菌(
Serovar Typhimurium)感染巨噬细胞分泌的外泌体,可触发幼稚巨噬细胞和树突状细胞中TNF-
α表达和释放,并刺激RANTES,IL-1,MIP-2,CXCL1,MCP1,sICAM-1,GM-CSF,G-CSF等细胞因子分泌
[43].此外,鸡毒支原体是鸡慢性呼吸系统疾病(chronic respiratory disease, CRD)的重要病原体之一,在其感染II型肺细胞(CP-II)后分泌的外泌体中,miR-181a-5p通过直接靶向鸡胚成纤维细胞PPM1B,激活TLR2介导的MyD88/NF-κB信号通路,以促进炎症细胞因子表达,从而防御鸡毒支原体感染
[44].最新的研究结果表明,鹦鹉热衣原体感染树突状细胞分泌的EVs,可诱导自然杀伤细胞产生IFN-γ,TNF-α,然后两者协同诱导感染细胞凋亡,以减少衣原体生长并扩散到邻近细胞中
[45].总体而言,细菌感染期间EVs在募集和调节宿主免疫反应中发挥重要作用.
2.2 EVs抑制宿主免疫反应
来自细菌感染宿主细胞的EVs也可抑制宿主免疫反应.
M. tuberculosis感染巨噬细胞分泌的EVs含有糖脂阿拉伯甘露聚糖(lipoarabinomannan,LAM),可抑制T细胞受体信号传导和活化反应,通过诱导免疫抑制促进
M. tuberculosis在感染细胞内大量增殖
[46-47].同时,
M. tuberculosis感染细胞分泌的EVs也可抑制巨噬细胞对INF-
γ的反应能力,从而抑制巨噬细胞的抗原提呈功能.此外,鸟分枝杆菌感染巨噬细胞分泌的EVs,可下调幼稚细胞中IFN-
γ,诱导基因表达,进而抑制MHC-II,CD64免疫球蛋白受体表达
[48].研究结果显示,支原体感染肿瘤细胞释放的EVs携带支原体成分,能抑制T细胞的活性
[49].上述研究结果表明,感染细胞分泌的EVs,可通过细胞自身组分或病原体分子抑制宿主细胞的免疫反应.
3 病毒感染状态下细胞释放的EVs调控病毒致病力
3.1 EVs促进病毒感染
1)病毒通过EVs递送病毒蛋白、核酸,以促进感染.研究结果显示,病毒可通过感染细胞分泌的EVs递送病毒蛋白,以促进病毒感染
[50].如人类免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus, HIV)感染细胞分泌的EVs,含有HIV蛋白Nef (negative factor, Nef),Nef通过调节内吞作用、细胞骨架重排和细胞器运输,增加HIV感染细胞释放的EVs数量,进而促进EVs介导的HIV感染.此外,病毒也通过感染细胞分泌的EVs递送病毒核酸,以促进病毒感染.丙型肝炎病毒(hepatitis C virus,HCV)感染人肝癌细胞后释放的外泌体,包含全长病毒RNA基因组,可将病毒核酸递送到未感染的Huh7.5.1细胞中,并以不依赖病毒粒子的方式引起感染
[22].研究结果表明,口蹄疫病毒(foot-and-mouth disease virus, FMDV)感染细胞分泌的EVs,含有病毒基因组RNA和部分病毒蛋白,可感染幼稚细胞
[23].对猪繁殖与呼吸综合征病毒(porcine reproductive and respiratory syndrome, PRRSV)的研究结果表明,感染细胞分泌的EVs含有病毒基因组RNA,可在幼稚细胞中引发感染,进而促进病毒传播
[51].人类免疫缺陷病毒1型(human immunodeficiency virus type 1,HIV-1)感染细胞分泌的外泌体,含有抑制靶细胞迁移的病毒、细胞来源蛋白质及可增加核基因表达、促进感染的dsRNA/ssRNA,有助于病毒感染宿主细胞
[52].
2)病毒通过EVs递送成熟病毒粒子,以促进感染.人疱疹病毒6型(human herpers viruses 6, HHV-6)感染细胞释放的外泌体,含有成熟病毒粒子,通过递送病原体相关分子(致病基因和蛋白质)甚至整个病原体至受体细胞,进而促进病毒感染
[53].
3)病毒通过EVs递送细胞组分调控免疫反应,以促进感染.病毒可通过感染细胞分泌的EVs中的组分促进病毒感染,如在HIV病毒感染巨噬细胞分泌的外泌体中,miR-23a,miR-27a分别损害肺上皮细胞的紧密连接屏障和线粒体功能,进而增加肺泡上皮细胞对HIV的易感性
[54].类似的研究结果表明,新城疫病毒(newcastle disease virus, NDV)感染HeLa细胞释放的EVs,含有miR-1273f,miR-1184,miR-198,可抑制受体细胞中干扰素
β(interferon-
β,IFN
β)基因的表达,进而促进NDV的弥散性感染
[55].乙型肝炎病毒(hepatitis B virus, HBV)感染肝细胞分泌的外泌体,可将miR-21,miR-29a和其他具有免疫调节功能的miR转运到巨噬细胞(THP-1)中,导致巨噬细胞中IL-12p35的表达下调,从而抑制宿主先天性免疫应答
[25].此外,研究结果显示,人类疱疹病毒4型,即EB病毒(Epstein-Barr virus, EBV),感染细胞分泌的外泌体,通过Fas配体介导的外源性通路诱导B细胞、T细胞凋亡
[56].上述研究结果表明,病毒通过EVs递送病毒蛋白、核酸和成熟病毒粒子引起感染,也通过调节EVs组分抑制受体细胞的抗病毒先天性和适应性免疫反应,从而促进病毒感染.
3.2 EVs抑制病毒感染
1)受感染细胞通过EVs递送病毒相关分子,以激活宿主免疫反应,进而抑制病毒感染.研究结果表明,受病毒感染细胞分泌的EVs,通过递送病毒相关分子抑制病毒感染
[57].如EBV感染B细胞后释放的EVs携带病毒RNA,这些RNA被递送到树突状细胞(dendritic cell,DC)后可激发抗病毒免疫反应.丙型肝炎病毒(hepatitis C virus, HCV)感染细胞分泌的外泌体,能够将病毒RNA递送到浆细胞样树突状细胞(plasmacytoid dendritic cells, pDC),并促进抗病毒Ⅰ型干扰素(interferon,IFN)的产生,从而启动针对病毒的先天性免疫反应
[58].
2)受感染细胞通过EVs中细胞组分激活宿主免疫反应,以抑制病毒感染.病毒感染细胞释放的EVs,在刺激先天免疫反应中所依赖的物质不局限于病毒分子,也通过EVs中细胞组分抑制病毒感染.研究结果显示,病毒感染细胞释放的EVs中含有IFN信号通路中间体或IFN刺激基因(interferon stimulated gene, ISG),可抑制病毒在靶细胞中复制和传播
[59].例如,甲型流感病毒(influenza A virus, IAV)感染细胞后宿主hsa-miR-1975由EVs递送到受体细胞,进而诱导IFN表达及抗病毒反应.狂犬病病毒(rabies virus, RABV)感染细胞将miR-423-5p释放到EVs中,诱导受体细胞中IFN-
β表达,从而抑制病毒在受体细胞中复制
[60].环磷酸鸟苷-环磷酸腺苷(cGAMP)响应HIV-1感染而产生,通过EVs被递送到未感染细胞中,以激活IFN基因刺激因子(stimulator of interferon genes, STING)通路,从而发挥抗病毒免疫反应
[61].源自HSV-1感染细胞的EVs含有STING和其他激活ISG转录的宿主因子,如ISG15,ISG56
[62].此外,病毒感染细胞释放的EVs还可介导IFN
-α诱导的抗病毒活性.如HBV感染肝脏非实质细胞释放的EVs含有IFN-
α,IFN-
α由HAV受体TIM-1输送到受体肝细胞,从而保护肝细胞免受HBV感染
[63].最后,受感染细胞释放的EVs也可递送IFN诱导的跨膜蛋白(interferon-induced transmembrane protein, IFITM),使受体细胞发挥抗病毒反应.IFITM是先天效应蛋白,可限制许多包膜病毒(如HCV)进入宿主细胞,并激活适应性免疫反应,从而抑制病毒感染.如在登革热病毒(dengue virus, DENV)感染期间,感染细胞通过释放含有IFITM2蛋白的EVs阻止DENV进入受体细胞
[64].IAV感染细胞释放的EVs携带IFITM,可刺激未感染细胞分泌IL-6,TNF,MCP-1
[64],从而抑制病毒感染.EVs除了调控先天免疫和适应性免疫反应外,还可表达与病毒表面蛋白结合的病毒受体,从而抑制病毒颗粒对宿主细胞的吸附.如在IAV感染期间,存在于呼吸道上皮细胞分泌的EVs表面的唾液酸,可阻止病毒结合宿主细胞受体并抑制病毒进入靶细胞
[65].寨卡病毒(Zika virus,ZIKV)感染细胞释放出表面含有E蛋白的EVs,减弱了靶向病毒粒子E蛋白抗体介导的抗体依赖性增强作用
[66].综上所述,受感染细胞分泌的EVs,可以促进未感染受体细胞的抗病毒先天性和适应性免疫反应,从而抑制病毒感染.
4 结语
EVs在细胞之间信息的传递、影响受体细胞的行为和功能方面起着至关重要的作用.EVs研究的最新进展极大地增强了对宿主如何与病原菌相互作用的理解.了解EVs在细胞通讯中的调节机制对EVs的临床应用至关重要.文中重点阐述受感染细胞分泌EVs的生物发生、病原体感染引起的EVs组分改变和EVs在病原体感染期间对免疫系统的调节作用.一方面,EVs通过传递病原体相关分子、参与病原体免疫逃逸和诱导免疫细胞凋亡来抑制免疫反应,以促进病原体感染;另一方面,EVs也可诱导受体细胞免疫反应,包括增强单核细胞-巨噬细胞、NK(natural killer cell)细胞、T(T-lymphocyte)细胞和B(B-lymphocyte)细胞的功能,以发挥抗感染作用,进而抑制病原体增殖和感染.感染细胞分泌的EVs在调控宿主免疫反应中的作用复杂多变,涉及增强免疫反应、免疫逃逸和抑制机制等.对病原体感染细胞分泌的EVs中差异组分调控宿主免疫反应机制进行深入研究,有助于全面认识EVs在细菌和病毒感染中的抗感染或致病作用,对于开发有效的抗细菌、抗病毒感染策略和治疗方法也至关重要.此外,病原体特异性EVs因子作为新型疾病生物标志物,也备受关注.因为EVs与疾病密切相关,并且在血液和尿液中的含量稳定,可能具有更高的诊断敏感性和特异性,越来越多的研究旨在识别不同疾病中EVs的此类特征,这可能有助于病毒性疾病的诊断、分期及治疗.
因此,EVs的未来研究可朝着以下几个方向发展:首先,开发更先进的分离和分析技术,以提高EVs的纯度和鉴定的准确性,从而确保研究结果的可靠性和可重复性.其次,进一步探索EVs在免疫调节中的具体作用,包括EVs与免疫细胞亚型及信号通路的相互作用,以及EVs在不同疾病状态、同一疾病不同阶段的调控功能变化.此外,需要进行大规模临床研究,以验证EVs作为生物标志物和治疗靶点的有效性和安全性.综上所述,EVs在各种疾病的宿主与病原相互作用中发挥着重要作用,需要对EVs进行更深入、全面的研究,以挖掘EVs在疾病诊治中的巨大潜力.