СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ ЭКЗОСОМ. РОЛЬ ЭКЗОСОМ В ПАТОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ

В статье выяснены особенности строения и функции экзосом и их роль в распространении заболеваний. Обосновывается мысль о том, что экзосомы (микровезикулярные пузырьки) способны переносить онкологические заболевания и различные виды вирусов с помощью своей микроРНК. Также обсуждаются диагностика и способы лечения заболеваний с помощью экзосом.

Одна из наиболее важных проблем молекулярной медицины — это диагноз и лечение патологических и онкологических заболеваний. В настоящее время проведенные исследования в области молекулярной медицины, результаты которых показали, что клетки злокачественных опухолей периодически выбрасывают «микропузырьки», высвобождая крошечные части РНК, которые, попадая в здоровые клетки, превращают их в раковые. Именно об этих крошечных пузырьках пойдет речь в этой статье. Что же представляют собой пузырьки, которые участвуют в канцерогенезе? Это внеклеточные везикулы, диаметр которых 35—90 нанометров, выделяются в межклеточное пространство клетками различных тканей и органов. Также они обнаружены в тканевых жидкостях организма: в сыворотке крови, моче, спинномозговой жидкости и слюне. Их полость имеет цитоплазму и в себя включает различные виды белков, микроРНК и липиды. Эти пузырьки получили название «экзосомы».

История открытия.

Экзосомы были описаны в 1983 году при исследовании ретикулоцитов, в процессе созревания которых, экзосомы принимают участие в изменении структуры мембран путем выведения рецепторов белков плазмы крови. Первоначально эти крошечные пузырьки-везикулы рассматривались как мусорные контейнеры для удаления избытка клеточной цитоплазмы и считались побочным продуктом жизнедеятельности клеток. С момента их открытия и до начала XXI века никто ими особенно не интересовался. Скоро выяснилось, что они обладают способностью регулировать иммунные реакции организма. А в 2007 году в пузырьках были обнаружены микроРНК и мРНК — носители генетической информации, которые экзосомы переносят в клетки-мишени.

Путь образования экзосом.

Первоначально экзосомы образуются внутри клетки — впячиваются в полость плазматической мембраны, которая покрыта белком клатрином. Затем эндосомальный комплекс сортировки (ESCRT) обеспечивает превращение впячиваний мембраны в ранние эндосомы (первичные экзосомы), в которые транспортируются различные вещества для дальнейшего синтеза более крупных везикул. После этого происходит второе впячивание в эндосомы, при котором образуются интралюминальные везикулы, которые накапливаются и созревают внутри плазматической мембраны, получили название мультивезикулярных телец. Когда в этой полости накопилось достаточное количество пузырьковых телец, их дальнейшая судьба зависит от того, какими липидами покрыта плазматическая мембрана: эти тельца могут превратиться в лизосомы, при условии, если их оболочка помечена лизобисфосфатидиловой кислотой, то ее содержимое сольется с лизосомой, где произойдет расщепление содержимого.

Рисунок 1. Путь образование экзосом

Если же мембрана мультивезикулярные тельца содержат церамиды, то пузырьки сливаются с поверхностной мембраной клетки и множество экзосом выталкивается наружу, во внеклеточную среду. Выделение во внеклеточную среду руководят небольшие комплексы ГТФазы (Гуанозинтрифосфатазы). (рис. 1. Путь образование экзосом)

Состав экзосом.

За последние 5 лет была собрана обширная информация о компонентах экзосом. Оказывается, что в состав внеклеточных пузырьков входят белки, липиды, микроРНК, содержимое которых определенно зависит от типа клеток, в которых образуются экзосомы.

Белки, которые содержат экзосомы, представлены следующими видами:

·     CD63, CD81 и CD- это трансмембранные белки-маркеры, функция которых заключается в транспорте микроРНК, для идентификации клеток-мишеней

·     PDCD6IP — белок экзосом, который участвует в запрограммированной клеточной смерти.

·     Tsg101 — это белок, фунцкией которого является сортировка, транспортировка экзосом.

Как правило, все экзосомы содержат аннексины, которые регулируют процессы изменения цитоскелета и механизмы слияния ее мембраны с мембраной клетки-мишени. Кроме этого, внеклеточные везикулы содержат различные ферменты: пероксидаза, ГТФаза, пируваткиназа, липидкиназа.

Так же экзосомы, как и клетки, несут на мембране белки главного комплекса гистосовместимости МНС и белки стресса (HSP60, HSP70, HSP90). Те и другие принимают участие в связывании антигенов и предъявляют эти антигены иммунной системе. Белки МНС отвечают также за распознавание чужеродных клеток и тканей.

На поверхности экзосом находятся белки Wnt, которые участвуют в передаче и активации сигнального пути Wnt в клетках-мишенях. Сигнальный путь Wnt — это внутриклеточный путь у животных, который регулирует пролиферацию и дифференцировку клеток, а также развитие онкологических заболеваний.

Огромное количество липидов содержат экзосомы: сфингомиелин, церамиды, фосфатидилсерин, фосфатидидилэтаноламин, холестерин лизофосфатидилхолин, фосфатидилхолин, фосфатидилинозитол. Липиды выполняют важные функции: образуют плазматическую мембрану, влияют на биологическую активность самих экзосом, переносят микроРНК в клетку-мишень.

Также в состав экзосом входят нуклеиновые кислоты. В 2007 году было обнаружено, что экзосомы, продуцируемые тучными клетками, содержат не только белки, но РНК. Это были как матричные РНК, содержащие информацию об аминокислотной последовательности белков, так и микроРНК — некодирующие молекулы длиной около 22—25 нуклеотидов, которые принимают участие в регуляции экспрессии генов в клетках-мишенях.

Но в экзосомах отсутсвует рРНК, входящая в состав рибосом. По сравнению с клетками, РНК экзосом более стабильны и устойчивы к деградации и разрушению при длительном хранении. Это полезное качество для создания диагностических и лечебных препаратов на основе экзосом.

Функции экзосом.

В организме животного и человека экзосомы выполняют различные функции:

1)  Осуществление межклеточной коммуникации.

Клетки коммуницируют с другими клетками с помощью экзосом. В некоторых случаях везикулы связываются с соседними клетками и выделяют микроРНК внутрь клеток (Рис. 2. Осуществление межклеточной коммуникации)

Рисунок 2. Осуществление межклеточной коммуникации

2)  Иммуномодулирующая функция.

Способность экзосом В-лимфоцитов — это транспортировать информацию: экзосомы транспортируют на себе белки главного комплекса гистосовместимости — МНС класса II, связанные с антигенным пептидом, необходимого для иммунного ответа в специализированные Т-клетки.

NK-клетки также выделяют экзосомы, образно названные «нанопулями против опухолей». Они содержат перфорин, который проделывает дырки в плазматической мембране клетки-мишени, и интегральный белок FasL, который взаимодействует с трансмембранным белком FasR — рецептором, запускающим апоптоз (гибель клетки).

3)  Распространение вирусов, опухолевых клеток.

Инфекции и опухоли распространяются по организму и спасаются от иммунного наздора также с помощью экзосом. Везикулы опухолей ингибируют иммунный ответ и способствуют распространению метастазов. Кроме того, опухолевые экзосомы могут провоцировать и активировать миграцию опухолевых клеток. Кроме этого, раковые экзосомы в отличие от обычных экзосом содержат специальные микроРНК, которые проникают в здоровую клетку, способны отключить экспрессию генов и нарушить нормальную работу здоровой клетки, превратив ее в раковую. Ученые Канадского университета показали, что экзосомы больных клеток при раке провоцируют развитие опухоли при вступлении в контакт со здоровыми клетками организма. Во время выполнения эксперимента учёные соединяли экзосомы раковых клеток с обычными клетками, после чего вводили мышам. Из «здоровых» клеток, контактировавших с раковыми экзосомами, введенные мышам, развивались опухоли. Но экзосомы нормальных клеток не спровоцировали развитие опухоли. Более того, рост опухоли удалось сократить в тех клетках, которые подвергались воздействию «раковых» экзосом с отключённым молекулярными механизмами по производству микроРНК.

4)  Регенеративная функция.

Экзосомы играют важную роль в восстановлении поврежденных органов. Внеклеточные везикулы, секретируемые из гемопоэтических стволовых клеток, обладают уникальными свойствами: защищают клетки, оставшиеся в поврежденных тканях, от гибели клеток, стимулируют деление выживших клеток. Это происходит потому, что мембраны этих везикул обогащены биологически активными липидами, на поверхности экзосом синтезируются ростовые и антиапоптозные факторы.

Диагностика заболеваний с помощью экзосом.

Из экзосом, которые содержатся в плазме крови, моче, слюне и других биологических жидкостях, в скором времени можно получить микроРНК для диагностики. Как уже говорилось, липидная оболочка защищает РНК от агрессивных ферментов, поэтому они устойчивы к деградации при транспортировке и хранении образцов. Результаты анализа помогут не только поставить диагноз, но и определить стадию заболевания, выяснить прогрессирование болезни, определение стадий и проверить эффективность лечения.

Огромный плюс диагностики по экзосомам — это вместо болезненной биопсии тканей можно исследовать жидкости и получить ту же информацию. Это особенно важно при диагностике рака. Исследование микроРНК экзосом, выделенных из крови и спинномозговой жидкости, позволит ученым проводить тест на наличие опухоли и наблюдать за ее изменениями, не проводя биопсию.

Возможно, в ближайшем будущем экзосомы окажутся идеальным помощником в борьбе с различными заболеваниями и универсальным средством доставки лекарств. Так как экзосомы предназначены для межклеточного обмена, хорошо переносятся организмом, они избирательно находят клетки-мишени, тем самым повышая эффективность переноса лекарственных препаратов, снижая возможность побочных эффектов и мутаций.

Таким образом, экзосомы играют огромную роль во внутренних процессах жизнедеятельности организма. на сегодняшний день достаточно точно установлена связь между прогрессированием рака и экзосомами. Несмотря на то, что функции микропузырьков ещё полностью не исследованы, остается верить, что экзосомы смогут помочь совершить ряд новых открытий в терапии онкологических заболеваний и окажут огромное влияние на развитие медицины в целом.

Список литературы:
1.    Нарыжный С.Н., Бурдаков В.С., Филатов М.В. Получение и анализ экзосом. Научная статья «Экзосомы», 2008. — 24 с.
2.    Статья из журнала «Химия и жизнь». Кондратенко Ю. «Экзосомы опухолей», 2014. — 7 с.
3.    Экзосомы — Электронный ресурс — URL: [https://ru.wikipedia.org/ wiki / Экзосомы] (Дата обращения 20.04.2015).
4.    Экзосомы-контакты клетки-Электронный ресурс-URL: [http:// www. innoros.ru] (Дата обращения 21.04.2015).