外泌体与生命现象——第五回 利用外泌体通过咪唑二肽的脑肠相关激活
九州大学大学院 农学研究院 片仓 喜范
图1
咪唑二肽是含咪唑基的组氨酸结合二肽的总称，如肌肽和鹅肌肽等（图1）。它们大量存在于肌肉与大脑中，尤其在肉食中的含量更为丰富。迄今为止，已了解到咪唑二肽具有抗氧化作用、抗糖化作用、疲劳恢复作用等各种生理功
能1,2）。最近，从阿尔兹海默病小鼠模型分析3）以及中老年人志愿者参与的人体实验的结果可以看出，咪唑二肽具有改善记忆的效果4,5）。虽然已明确咪唑二肽具有改善大脑功能的效果，但是其详细的作用机制尚未被阐明。原因是人类所摄取的肌肽在肠上皮细胞或通过肠道后残留在血液中后，被一种称为肌肽酶的肌肽降解酶分解为β-Ala与L-His，而不是以肌肽的形式直接到达大脑发挥作用。也就是说，通过摄入肌肽改善大脑功能的效果，并非由肌肽直接送达，而是从肠道中通过某种信号传达至大脑中。此即“脑肠相关”的激活（图2）。
图2. 肌肽引起的脑肠相关激活以及其分子基础
近年来，“脑肠相关（Brain-gut interaction）”这一概念备受瞩目。大脑和肠道通过自主神经系统和体液因子（激素或细胞因子）密切关联并相互作用，因此也称为“脑肠轴（Brain-gut axis）”。肠易激综合征（irritable bowel syndrome : IBS）便是脑肠相关的代表性例子。肠易激综合征是由于大脑因感知压力，促进下丘脑中皮质类固醇释放因子和肠粘膜中血清素的分泌，然后通过各自的特异性受体，致使消化管道内活动异常。这对生物体而言是消极的脑肠相关疾病。
有改善大脑功能效果的食品可能存在脑肠相关激活活性，在对这种可能性进行调研时，我们先假设它的分子基础之一是大名鼎鼎的细胞外囊泡——外泌体，以此展开研究。外泌体是一种直径40~100 nm 的极其微小的细胞外囊泡。无论是正常细胞还是癌细胞，构成生物的所有细胞中都可以分泌外泌体。对外泌体内含物miRNA的报道，为外泌体的功能性研究揭开了序幕，从而引发了广泛地关注6）。miRNA 是长度为21-25碱基的单链RNA分子，参与真核生物中转录后的表达调控。miRNA与靶mRNA不完全匹配结合，识别一般的靶基因3’ UTR，使靶mRNA变得不稳定的同时，通过抑制翻译来抑制蛋白表达。因此可明确miRNA参与发育、细胞增殖、细胞分化、细胞凋亡或是代谢等的生物体内进程7）。根据以往外泌体内含物miRNA的报导，可以推断外泌体作为细胞间交流的重要媒介。实际上，在此之后，关于外泌体参与神经细胞间的信息交流的报导相继发布，如：少突胶质细胞分泌的外泌体抑制髓鞘的形成8），存在于外泌体中的引发朊病毒病的异常朊蛋白结构蛋白，以及向中枢神经内运送结构异常的朊蛋白等9）。
综上所述，我们假设肠道来源的外泌体作为肌肽引起的脑肠相关激活的分子基础，尝试对这些外泌体的分离、检测，以及对外泌体内所含的miRNA和神经细胞中的miRNA靶基因的检测，并对此进行研究。
首先我们使用了人结肠癌来源细胞Caco-2作为人培养肠道细胞的模型。用MagCapture™ Exosome Isolaton Kit PS从经过肌肽处理的Caco-2细胞培养上清中分离并纯化外泌体10）。然后把所得的外泌体添加到人神经母细胞瘤SH-SY5Y中进行培养，可以观察到SH-SY5Y轴突的伸长（图3）以及轴突标记基因（Neurofilament Medium（ NEFM）, Nestin，图4）表达的增强。从以上结果可以明确地看出，从经过肌肽处理的Caco-2细胞中，所分泌的外泌体促进SH-SY5Y细胞轴突伸长。
图3. 添加了肌肽处理的Caco-2细胞培养上清液来源外泌体的SH-SY5Y细胞中的轴突伸长
从左到右分别是未处理的SH-SY5Y细胞、维甲酸处理的SH-SY5Y细胞、肌肽处理的Caco-2细胞培养上清液来源外泌体处理的SH-SY5Y细胞。
用Neuro-Chrom Pan Neuronal Maker(Millipore) 对SH-SY5Y细胞上的轴突进行荧光染色，使用共聚焦激光扫描显微镜（FLUOVIEW FV1000,Olympus）进行观察。
（摘自Sugihara Y.et al.,PLoS One(in press) ）
图4. 添加了肌肽处理的Caco-2细胞培养上清液来源外泌体的SH-SY5Y细胞中的基因表达变化
从添加了终浓度1 mM或 10 mM 肌肽的Caco-2细胞培养上清液中制备外泌体，添加到SH-SY5Y细胞中进行培养后，通过定量RT-PCR法检证基因表达变化。
Exo-ctrl：添加了未处理的Caco-2细胞培养上清液来源外泌体的SH-SY5Y细胞
Exo-Car1/Exo-Car10：添加了1 Mm/10 mM肌肽的Caco-2细胞培养上清液来源外泌体处理的SH-SY5Y
未处理：未处理的SH-SY5Y
维甲酸：维甲酸处理的SH-SY5Y
然后，我们尝试了鉴定肌肽处理的Caco-2细胞中分泌的，以及促进SH-SY5Y细胞的轴突伸长的外泌体中包含的miRNA与其靶基因。为此，需要先把肌肽处理的Caco-2细胞中分泌出来的外泌体分离并纯化。通过基因芯片分析，对其中包含的miRNA的表达进行分析。与对照处理进行比较，提取显示表达波动的miRNA，使用Target Scan Human（http://www. targetscan.org/），预测表达波动的miRNA的靶基因（图5：基因组1）。
图5. 为了鉴定miRNA目标基因的基因芯片综合分析
将上述肌肽处理的Caco-2细胞来源外泌体添加至靶细胞SH-SY5Y细胞中，通过基因芯片分析，分析SH-SY5Y细胞内的基因表达，提取表达波动的基因。（图5：基因组2）。提取基因组1与基因组2之间的共通基因（约200个基因，基因芯片综合分析）。以神经细胞激活相关的基因提取以及Ingenuity Pathway Analysis中的基因相关图为基础，鉴定肌肽处理的Caco-2细胞来源外泌体中包含的与神经细胞激活相关的miRNA（4种）和SH-SY5Y细胞中的靶基因（14种）。然后通过分析miRNA mimic导入或是敲低靶基因之后的SH-SY5Y细胞中miRNA的功能性，成功鉴定了肌肽处理的Caco-2细胞来源外泌体中包含的与神经细胞激活有关的miRNA及其靶基因（投稿中）。
如上所述，通过对外泌体中miRNA微阵列和外泌体靶细胞中的mRNA微阵列进行综合分析，可以鉴定通过外泌体传达信息的分子基础（内含miRNA及其靶基因）。在确定某种表型诱导相关的外泌体鉴定及其分子基础时，这将会是一个行之有效的方法。
◆参考文献
1） Boldyrev, A. A. et al . : Physiol. Rev ., 93, 1803-1845（ 2013）
2） Budzeń, S. and Rymaszewska, J. : Adv. Clin. Exp. Med ., 22, 739-744（ 2013）.
3） Herculano, B. et al . : J. Alzheimers Dis ., 33, 983-997（ 2013）.
4） Hisatsune, T. et al . : J. Alzheimers Dis ., 50, 149-159（ 2016）.
5） Katakura, Y. et al . : Nutrients , 9, 1199 （2017）.
6） Valadi, H. et al . : Nat. Cell Biol ., 9, 654-659 （2007）.
7） Ma, C. et al . : Sci. China. Ser. C , 52, 323-330 （2009）.
8） Bakhti, M. et al . : J. Biol. Chem ., 286, 787-796 （2011）.
9） Bellingham, S. A. et al . : Front. Physiol ., 3, 124（ 2012）.
10） Nakai, W. et al . : Sci. Rep ., 6, 33935（ 2016）.