Экзосомы — внеклеточные везикулы¶

Экзосомы — это внеклеточные везикулы диаметром 30–150 нанометров, которые секретируются практически всеми типами клеток и участвуют в межклеточном взаимодействии. Вместе с апоптотическими тельцами и микровезикулами экзосомы относятся к классу внеклеточных везикул (extracellular vesicles, EVs). Их открытие и изучение открыли новое направление в биологии — исследование того, как клетки обмениваются информацией посредством мембранных пузырьков, содержащих белки, липиды и нуклеиновые кислоты.

¶История открытия

Экзосомы были впервые описаны в 1983 году независимо двумя группами исследователей. Р. Пан и Б. Джонстон изучали дифференцировку ретикулоцитов (предшественников эритроцитов) у овец и обнаружили, что клетки высвобождают мембранные пузырьки, образующиеся путём впячивания мультивезикулярных тел (MVB) в эндосомальное отделение. Термин «экзосомы» был предложен для обозначения этих структур. Долгое время считалось, что они играют роль «мусора» — способа избавления клетки от ненужных белков и мембранных компонентов. Переломным стал 2007 год, когда было показано, что экзосомы переносят мРНК и микроРНК и могут менять генетическую программу клетки-получателя. Это открытие вызвало волну исследований по всему миру.

¶Структура и состав

Экзосомы представляют собой мембранные пузырьки с двойным липидным бислоем, происходящие из внутренних мембран мультивезикулярных тел. Их диаметр обычно составляет 30–150 нм, что отличает их от более крупных апоптотических телец (100–5000 нм) и микровезикул (100–1000 нм), отшнуровывающихся непосредственно от плазматической мембраны.

Состав экзосом отражает происхождение от родительской клетки и включает:

• Белки мембраны: тетраспанины (CD9, CD63, CD81), участвующие в слиянии с мишенневой клеткой; белки MHC I и II класса, участвующие в иммунном ответе; интегрины, определяющие тканевую тропность.
• Белки цитоплазмы: цитоскелетные белки (актин, тубулин), ферменты (GAPDH, альдоза-редуктаза), белки шаперонного типа (HSP70, HSP90).
• Нуклеиновые кислоты: мРНК, микроРНК, длинные некодирующие РНК, фрагменты ДНК. МикроРНК экзосом могут регулировать экспрессию генов в клетках-мишенях.
• Липиды: холестерин, сфингомиелин, церамиды, фосфатидилсерин.

¶Биогенез и выделение

Путь образования экзосомов включает несколько стадий. Сначала в клетке формируется ранняя эндосома, которая созревает в позднюю эндосому. Внутри неё происходит впячивание мембраны с образованием внутренних везикул — формируется мультивезикулярное тело. После слияния MVB с плазматической мембраной внутренние везикулы высвобождаются в межклеточное пространство как экзосомы. Этот процесс регулируется белками ESCRT-комплекса (endosomal sorting complexes required for transport), а также кальций-зависимыми сигнальными путями.

¶Функции

Экзосомы выполняют разнообразные физиологические роли:

• Межклеточная коммуникация. Перенос белков, липидов и нуклеиновых кислот между клетками, в том числе на расстоянии.
• Иммунный ответ. Экзосомы антигенпрезентирующих клеток несут MHC-комплексы и могут активировать Т-лимфоциты. В то же время опухолевые экзосомы способны подавлять иммунитет.
• Удаление клеточного мусора. Участие в выведении повреждённых белков и окисленных липидов.
• Регенерация и развитие. Участие в эмбриогенезе, регенерации тканей, ангиогенезе.

¶Роль в патологиях

Экзосомы играют двойственную роль в заболеваниях. С одной стороны, они участвуют в распространении патологических белков при нейродегенеративных болезнях: при болезни Альцгеймера экзосомы переносят амилоид-бета и тау-белок, при болезни Паркинсона — альфа-синуклеин. С другой стороны, раковые клетки активно используют экзосомы для подготовки «метастатической ниши»: они переносят факторы роста, модулируют иммунный ответ и повышают устойчивость опухоли к химиотерапии.

¶Экзосомы в медицине

Исследования экзосом открыли несколько перспективных направлений:

• Биомаркеры. Экзосомы, выделенные из крови, слюны, мочи или спинномозговой жидкости, несут информацию о состоянии клеток-источников и могут использоваться для ранней диагностики рака, сердечно-сосудистых и нейродегенеративных заболеваний. В России изучением экзосомальных биомаркеров занимаются ведущие научные центры, включая Институт биологии развития РАН и медицинские университеты.
• Лекарственные системы доставки. Искусственно загруженные лекарственными препаратами экзосомы могут адресно доставлять их в определённые ткани, преодолевая барьеры, непреодолимые для синтетических наночастиц.
• Терапия. Мезенхимальные стволовые клетки выделяют экзосомы с регенеративными свойствами, изучаются их возможности при инфаркте миокарда, повреждениях нервной системы и аутоиммунных заболеваниях.

¶Методы выделения

Для получения экзосом из биологических жидкостей используют ультрацентрифугирование, ультрафильтрацию, размерно-исключительную хроматографию, иммуноаффинную очистку по маркерным белкам (CD9, CD63, CD81) и методы микрожидкостной технологии. Каждый метод имеет свои ограничения по чистоте и выходу материала, что остаётся одной из ключевых методологических проблем поля.

¶Спорные вопросы

Несмотря на бурное развитие, область остаётся дискуссионной. Существуют разногласия по поводу стандартизации методов выделения и характеризации экзосом, их роли в норме и патологии, а также перспективности терапевтического применения. Часть исследователей считает, что многие эффекты, приписываемые экзосомам, на самом деле обусловлены другими внеклеточными везикулами или артефактами выделения.

Источники:

• Raposo G., Stoorvogel W. Extracellular vesicles: exosomes, microvesicles, and friends // Journal of Cell Biology. — 2013.
• Valadi H. et al. Exosome-mediated transfer of mRNAs and microRNAs is a novel mechanism of genetic exchange between cells // Nature Cell Biology. — 2007.
• Ковалёва О. В. и др. Внеклеточные везикулы: современные представления о структуре и функциях // Биохимия. — 2019.
• Межклеточная коммуникация с участием внеклеточных везикул. — М.: Наука, 2021.