外泌体在脂肪分化与脂代谢中作用的研究进展

林金丹 闫爽

哈尔滨医科大学附属第四医院内分泌代谢科 150001

近年来，有关外泌体的研究已成为当前医学领域研究热点之一，外泌体与脂肪分化及其代谢之间存在的互相作用正逐渐显现。普遍认为，脂代谢及脂肪分化等多种生物过程与肥胖的发生密切相关[1]。因此，外泌体可成为治疗肥胖的潜在方式之一。本文将对外泌体影响脂肪分化及脂代谢过程进行简要综述，旨在为肥胖的治疗提供新思路及策略。

1 外泌体概述

1.1 外泌体的特点 外泌体由Johnstone等最早发现并命名，是由内泌体膜出芽形成的多泡体融合质膜后，以胞吐方式向细胞外释放的纳米囊泡[2]。它可由多种细胞分泌且普遍存在于体液中，其直径为30～200 nm，密度为1.1～1.2 g/ml，形状呈典型的杯状或界限分明的圆形[3]。外泌体的大小、形状和密度主要取决于其中包含的蛋白质、脂类、酶和矿物质含量，具有高度变异性，因此难以概括其共性[4]。外泌体膜脂质及其腔内组成物质取决于母细胞及其质膜类型和胞质含量，其双层膜的组分能够反映母细胞膜的特点，而囊泡内富含的诸多物质及其含量则高度依赖于母细胞的类型[4-6]。

1.2 外泌体的生物发生及其调控 外泌体的生物发生其实是一种受蛋白质质量调节的机制，其特征首先为质膜的内吞事件和早期核内体成熟为晚期核内体，随后核内体膜形成内腔小泡出芽，产生多泡体[4-6]。但并非所有外泌体均通过内泌体出芽方式产生，也可从质膜直接萌发。目前已知有3种发生模式：(1)囊泡出芽形成离散的内泌体，成熟为多泡体继而融合质膜随之释放外泌体。(2)质膜直接出芽释放小泡。(3)胞内质膜连接腔室出芽延迟释放，该腔室颈解除狭窄[4]。该过程主要涉及两个途径：第一是最具特征的转运必需内体分选复合物(ESCRT)依赖途径：首先是ESCRT0复合物亚基招募特定蛋白质到核内体特异性结构域来负责内化，随后ESCRT1/2复合物协同决定出芽的起始过程，在腔内囊泡形成前，促进货物蛋白的去泛素化，随之产生多泡体， ESCRT3则驱动最后阶段的膜内陷和分离[5-6]。第二是ESCRT非依赖途径:替代的途径机制如高阶齐聚即齐聚物的齐聚途径，外泌体膜耐清洁剂结构域参与多泡体的生物发生[3-4]。

此外，上述过程还涉及介导细胞内蛋白质转运途径的反式作用因子、多泡体成熟和转运机制、质膜内稳态以及囊泡的突起和断裂等机制[4]。外泌体的分泌能力因母细胞类型各异而不同，受多种因素调节。细胞内钙离子变化、受体交联介导激活细胞、脂质介质磷脂酸、K+诱导的细胞去极化、应激状态等均可调控外泌体的分泌[3]。

1.3 外泌体的功能及作用机制 外泌体的来源细胞不同，而且组成元素具有多样性，导致其功能和结构各不相同且复杂化。它以旁分泌或内分泌的方式起作用，其作用机制可归纳为：(1)外泌体的膜蛋白本身或其裂解后产生的可溶性片段可作为配体，特异性结合靶细胞受体，继而激活细胞内信号通路。(2)通过黏附分子诱导膜融合和胞吞作用。(3)靶细胞通过内吞机制直接内化外泌体，随之释放相关物质，激活受体细胞的下游事件或参与表观遗传重组[3，5]。

外泌体是细胞外基质(ECM)的组成部分和重塑成分，具有多种生物学功能。它参与调节免疫功能，如激活或抑制免疫反应，介导细胞间通讯而产生免疫耐受；调控靶细胞相关生理活动；特异性结合邻近细胞，具有独特的细胞归巢作用和靶向能力；参与肿瘤相关的转移和侵袭等过程；干扰病毒的传播；能够通过血-脑屏障，调控大脑的重要功能且参与某些神经系统疾病的发病；能够缩小特定模型的心肌梗死面积，减少动脉粥样硬化病变的形成[3-6]。

2 外泌体影响脂肪分化

诸多研究证实，外泌体参与调控脂肪分化。人们能够在成脂分化过程提取外泌体，其含有脂肪组织发育有关的各种可溶性因子，如肿瘤坏死因子α、瘦素和巨噬细胞集落刺激因子等多种物质。外泌体可以通过丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)-细胞外信号调节激酶(ERK)等信号途径，积极调控脂肪细胞谱系的终末分化[8]。

2.1 外泌体负向调控脂肪分化 Wang等[9]研究肿瘤来源的外泌体对脂肪细胞的影响，结果显示，此类型外泌体能够减少脂滴，降低成脂转录因子和脂肪细胞特异标志物过氧化物酶体增殖物活化受体γ(PPARγ)和脂蛋白脂肪酶mRNA的表达水平。该研究首次证明了肺肿瘤来源的外泌体通过激活转化生长因子β 信号通路，抑制脂肪间充质干细胞(ADSCs)的成脂分化。此外，来自慢性粒细胞白血病的含有miRNA-92a-3p的外泌体被内化吸收进入细胞内，在转录后水平上降低CCAAT增强子结合蛋白α(C/EBPα)的表达，从而抑制ADSCs的脂肪生成[10]。

2.2 外泌体正向调控脂肪分化 外泌体不仅能够诱导培养基中脂肪来源干细胞的发育，还可促使其分化为成熟脂肪细胞，并引起脂质沉积[11]。脂肪细胞来源的外泌体(Ad-Exo)含有调节人骨髓间充质干细胞(hMSCs)谱系特征的指导性因子和成脂分化潜能的miRNAs。Ad-Exo可以增强ECM介导的hMSCs向脂肪细胞谱系的分化。成骨/脂肪细胞ECM和外泌体的组合在早期分化时间点开启了谱系特异性基因的表达，其中，在含有成脂分泌体的成骨细胞ECM上分化的hMSCs能够表达成脂基因[12]。研究报道，外泌体中含有的miRNA-450a-5p在脂肪形成过程中上调，可直接靶向结合成脂分化负性调控因子Wnt1诱导信号通路蛋白2(WISP2)的特定区域，并抑制WISP2的负性作用，最终促进ADSCs的脂肪分化[13]。

Dai等[14]采用脂肪组织的外泌体样囊泡干预脂肪干细胞，结果显示，成脂基因PPARγ、脂肪细胞特异性脂肪酸结合蛋白2(aP2)和脂联素的表达均升高，成熟细胞数目亦增多。另外，含有基质金属蛋白酶的外泌体转移到3T3-L1细胞和原代大鼠前脂肪细胞，也能促进最终成脂分化。根据上述可知，脂肪组织的外泌体样囊泡可诱导脂滴形成，增强脂肪形成关键基因的表达，最终促进脂肪分化。然而值得注意的是，脂多糖激活巨噬细胞所释放的外泌体并不影响前脂肪细胞最终成熟分化的过程及脂肪储存[15]。

综上可知，外泌体是脂肪分化的重要调控因子。来源不同的外泌体能够各自发挥促进或抑制脂肪分化的作用，其中相关的具体作用机制与外泌体的来源及内含成分等许多因素密切相关。

3 外泌体影响脂代谢

3.1 脂肪组织相关来源的外泌体调控脂代谢ADSCs来源的外泌体通过信号转导与转录激活因子3相关通路，激活M2巨噬细胞极化，表达高水平的酪氨酸羟化酶(负责儿茶酚胺的释放)，增强相关产热基因的表达，从而促进白色脂肪组织棕色化，恢复解耦联蛋白1(UCP1)依赖的能量消耗，最终减轻肥胖引起的胰岛素抵抗作用、血脂异常和肝脂肪变性[16]。来自脂肪组织巨噬细胞的外泌体miRNA-155高表达于肥胖小鼠，能够有效抑制白色脂肪棕色变和产热作用，减少棕色脂肪组织并抑制其功能[17-18]。Ertunc等[19]研究证实，在脂解作用下，外泌体囊泡结构中aP2的含量明显增加，aP2通过外泌体囊泡形式的非经典途径增加分泌，随之又参与脂肪细胞的脂解作用。

与常氧条件相比，低氧状态下的脂肪细胞释放的外泌体富含与乙酰辅酶A羧化酶、葡萄糖-6-磷酸脱氢酶、脂肪酸合酶等脂肪从头生成相关的酶。供体低氧脂肪细胞可能将脂肪合成系统(脂肪酸编码)通过外泌体方式转移到受体细胞，使受体细胞增加这些脂肪生成酶，最终促进脂质积累、脂质合成以及受体前脂肪细胞的成熟分化，并且可能影响相邻前脂肪细胞和脂肪细胞的脂质生成活性[20]。此外，来自阻塞性低通气综合征受试者的血浆外泌体增强了前脂肪细胞的分化，也促进了脂肪细胞的脂解。在睡眠碎片或间歇性缺氧中长期暴露的小鼠，其外泌体同样地诱导增强了脂解作用[21]。PLSCR3(Scr3)属于膜相关转录调节的超家族，被称为Tubby样蛋白，以外泌体形式分泌到培养基中。在脂肪细胞分化过程中，Scr3的过表达抑制甘油三酯的积累，以及有关脂肪细胞转录因子的表达[22]。

Lazar等[23]研究证实，肥胖小鼠Ad-Exo高表达于瘦小鼠，此类外泌体富含游离脂肪酸及脂肪酸相关蛋白，是脂肪酸氧化的正向调控因子，参与脂肪酸氧化过程。另一项研究表明，Ad-Exo特异地增加脂肪组织巨噬细胞中脂质的含量，并于局部将甘油三酯传递给巨噬细胞，以致巨噬细胞中脂质的积累。此外，Ad-Exo还能够诱导脂代谢相关基因的表达[24]。Castao等[25]报道，肥胖改变了小鼠血浆外泌体miRNA谱，如增加miRNA-122等。采用肥胖相关miRNA外泌体干预瘦小鼠，能够增加游离脂肪酸和甘油三酯水平，导致中枢性肥胖和肝脏脂肪变性。

瞬时受体电位黏脂蛋白1(TRPML1)是一种非选择性的钙离子通道，主要表达于晚期核内体/溶酶体膜，参与溶酶体内相关通路机制。成熟脂肪细胞来源的外泌体是脂肪生成的必要条件之一，且依赖于TRPML1介导的溶酶体胞吞作用，并以旁分泌和自分泌方式刺激脂肪产生。内源性TRPML1的表达在前脂肪细胞成熟分化过程中呈时间依赖性增加，而当急性缺失TRPML1时，脂质的合成减少[26]。另外，来自肝细胞的外泌体也参与脂代谢的调节，采用含有miRNA-130a的外泌体干预3T3-L1细胞，可导致脂滴生成减少，以及葡萄糖摄取增加[27]。

3.2 肿瘤相关来源的外泌体调控脂代谢 来自不同肿瘤类型的外泌体在脂代谢过程中发挥重要作用。肺癌来源的外泌体具有较高水平的UCP1和低水平的脂滴，释放高水平的甘油三酯，可以诱导脂肪细胞的脂解作用。使用中性鞘磷脂酶抑制剂不仅能够抑制肺癌细胞来源外泌体的产生和释放，而且可抑制肺癌细胞诱导的脂肪细胞的脂肪分解以及白色脂肪组织棕色变的发生[28]。来自胃癌细胞的外泌体将ciRS-133(circular RNA sponge for miR-133)转移进入前脂肪细胞，通过增强前脂肪细胞PR结构域蛋白16的表达和激活UCP1以及抑制miRNA-133的表达，导致细胞代谢加速，耗氧量和热量产生增加，促进脂肪分解[29]。

来自乳腺癌细胞的外泌体携带高水平miRNA-144和miRNA-126。其中，外泌体miRNA-144通过下调MAPK-ERK1/2-PPARγ轴来介导及增强脂肪细胞的分解代谢；外泌体miRNA-126则通过破坏胰岛素受体底物/葡萄糖转运蛋白4信号转导，激活腺苷酸活化蛋白激酶/自噬途径来稳定脂肪细胞的缺氧诱导因子1α表达，从而重塑脂代谢[30]。

来自小鼠胰腺癌的外泌体促进脂肪沉积而抑制葡萄糖的摄取，呈剂量依赖性的显著升高甘油三酯水平[31]。另一项来自胰腺癌外泌体的研究结果揭示，胰腺癌分泌的外泌体含有肾上腺髓质素，能够诱导脂肪组织的脂肪分解。在机制上，外泌体肾上腺髓质素特异性靶向结合该激素受体，通过激活p38和p44/42，介导ERK1/2相关通路，和(或)协同白细胞介素-6及其他已知因子等额外的独立脂解机制，最后通过磷酸化激素敏感性脂肪酶来促进脂肪分解[32]。随后，Kong等[33]研究印证并丰富了上述研究结果，同时首次表明胰腺癌细胞和癌相关成纤维细胞来源的外泌体均可携带肾上腺髓质素，通过将肾上腺髓质素传递给受体脂肪细胞，促进脂肪分解。

4 外泌体与肥胖及代谢性疾病

在肥胖人群中，血浆外泌体中与心血管疾病发生相关的胱抑素C和CD14的含量发生相应改变。血管疾病患者外泌体中胱抑素C和CD14的增加与心肌梗死、血管疾病死亡率和进一步血管事件的风险增加有关。另外，血浆外泌体中胱抑素C的表达与低度全身炎性反应、低高密度脂蛋白-胆固醇水平和代谢综合征呈正相关，而CD14的表达与脂肪组织丰度、血脂异常和2型糖尿病发病风险降低呈负相关[34]。外泌体参与糖尿病及其相关并发症的发生与发展，它不仅可以作为糖尿病早期诊断和分期的生物学标志，还可作为糖尿病治疗的靶点[35]。同时，它作为药物传递载体，具有相对容易获得性、良好的宿主生物分布和生物相容性、特殊的靶向能力等诸多优点[6]。

5 小结和展望

外泌体通过膜结合靶向受体细胞等机制传递蛋白质及核酸等物质，介导细胞间通讯，在多种生物学过程中发挥重要作用。目前研究初步揭示，外泌体能够影响肥胖发生涉及的相关分子网络机制，参与调控脂肪分化及脂代谢。此外，它作为药物载体具有诸多优点，有助于代谢性疾病的诊治，具有巨大潜在的临床价值。综上所述，外泌体可作为潜在治疗肥胖的颇有前景的方法，但其影响脂肪细胞的相关作用机制还需深入研究。