Wie Zellen kommunizieren: extra-zelluläre Vesikel als Signalübermittler

475 Extracellular Vesicles Wie Zellen kommunizieren: extrazelluläre Vesikel als Signalübermittler LEONIE WITTE 1,2 UND JULIA CHRISTINA GROSS 1,2 1 HÄMATOLOGIE UND ONKOLOGIE, UNIVERSITÄTSMEDIZIN GÖTTINGEN 2 ENTWICKLUNGSBIOCHEMIE, UNIVERSITÄTSMEDIZIN GÖTTINGEN Development and homeostasis of multicellular organisms requires a constant exchange of information. Intercellular communication can be mediated by extracellular vesicles – tightly packed informational units that are secreted by virtually all cell types. Depending on their origin they carry distinct sets of proteins and RNAs and elicit diverse signalling responses in close and distant target cells. Despite their crucial role for health and disease, their biogenesis remains poorly understood. DOI: 10.1007/s12268-020-1429-8 © Die Autorinnen 2020 ó Eine grundlegende Voraussetzung für Entstehung und Homöostase komplexer mehrzelliger Organismen ist der regulierte Austausch kontextabhängiger Signale. Signalmoleküle wie Hormone, Wachstumsfaktoren oder Zytokine verteilen sich dazu im extrazellulären Raum und erreichen ferne und nahe Zielzellen. Zusätzlich zur freien Sekretion löslicher Faktoren erfordert der Austausch komplexer Botschaften die Integration verschiedener molekularer Botenstoffe in stabile Informationseinheiten, die mit hoher räumlicher und zeitlicher Präzision im gesamten Organismus verteilt werden können. Extrazelluläre Vesikel sind solche kompakten Informationseinheiten – mit essenziellen Funktionen für physiologische sowie pathologische Entwicklungsprozesse. direkt von der Plasmamembran (PM) abgeschnürt werden und 2) Exosomen oder kleine EV (small EV, sEV) mit einem Durchmesser von 50–150 nm, die als intraluminale Vesikel ins Innere von multivesikulären Endosomen (MVE) abgeschnürt und anschließend durch Fusion mit der PM freigesetzt werden (Abb. 1, [1]). Für die Biogenese von sEV werden zunächst Mitglieder der ESCRT(endosomal sorting complexes required for transport)Maschinerie an die MVE-Membran rekrutiert, wo sie die Beladung von sEV mit Fracht- molekülen, Membraninvagination und Vesikelabschnürung koordinieren [1]. Ebenso existieren ESCRT-unabhängige Entstehungswege unter Beteiligung von Ceramid-reichen Membrandomänen und Tetraspaninen [1]. Während die Beladung von sEV mit microRNA über spezifische Erkennungssequenzen und die Interaktion von ESCRT-Komponenten mit RNA-Bindeproteinen erfolgen kann, sind die Mechanismen hinter der Beladung mit mRNA und DNA noch weitgehend unverstanden. Die letztendliche Sekretion von sEV wird durch sekretorischen MVE-Transport und Fusion mit der PM vermittelt. Da ein Großteil aller MVE lysosomal abgebaut wird, stellt der spezifische sekretorische Transport von MVE-Subpopulationen eine regulatorische Ebene der sEV-Sekretion dar. Endosomale RabGTPasen wie Rab27, Rab35 oder Rab11 sind an der Kontrolle der MVE-Sekretion ebenso beteiligt wie die SNARE (soluble NSF attachment receptor)-Proteine VAMP7, SNAP23 und Ykt6, die letztendlich die Fusion der MVE-Membran mit der PM mediieren [1]. Nach ihrer Ausschüttung erreichen EV über den extrazellulären Raum und nahezu alle Körperflüssigkeiten ihre Zielzellen. So ergibt sich, z. B. im Blutplasma, eine immense Entstehung von extrazellulären Vesikeln Extrazelluläre Vesikel (EV) sind eine heterogene Gruppe membranöser Vesikel, die von nahezu allen Zellen sekretiert und aufgenommen werden können. Abhängig von Ursprungszelle und biologischem Kontext tragen sie ein vielfältiges Repertoire aus Membranproteinen in ihrer Hülle sowie lösliche Faktoren wie Proteine, DNA und RNA in ihrem Lumen. Zwei Arten von EV werden unterschieden: 1) Mikrovesikel oder große EV, die mit einem Durchmesser von 100–1000 nm BIOspektrum | 05.20 | 26. Jahrgang ˚ Abb. 1: Biogenese und Zusammensetzung kleiner und großer extrazellulärer Vesikel (EV). Kleine EV werden als intraluminale Vesikel in multivesikuläre Endosomen abgeschnürt und können durch deren Fusion mit der Plasmamembran unter Beteiligung von Motorproteinen, SNARE-Proteinen und RabGTPasen ausgeschüttet werden. Große EV werden dagegen direkt von der Plasmamembran abgeschnürt. Die Komposition von EV spiegelt die endosomale bzw. cytoplasmatische Herkunft wieder und unterliegt zelltyp- und kontextabhängiger Regulation. 476 W I S S EN S CH AFT Vielfalt an EV aus allen denkbaren Organen und Zelltypen. Aus dem jeweiligen Beladungsmuster ergeben sich kontextabhängige Botschaften, die in ihren Zielzellen komplexe Signalkaskaden auslösen. Extrazelluläre Vesikel im gesunden und kranken Organismus Der Grunderhalt eines Organismus hängt von Zell- und Gewebehomöostase ab. Hier leisten EV einen wichtigen Beitrag: Durch eine Membranhülle geschützt erhöht sich Stabilität und Reichweite sekretierter Botenstoffe und die spezifische Interaktion von EV mit Zielzellen ermöglicht eine zielgerichtete und effiziente Kommunikation (Abb. 2). So wird der Erhalt der Stammzellnische von Stammzell-EV gesichert, die Faktoren wie nanog, Oct-4 oder Wnt tragen [2, 3]. Durch ihre proliferationsfördernden und pro-angiogenen Eigenschaften bergen EV, insbesondere sEV mesenchymaler Stromazellen (MSZ), ein hohes regeneratives Potenzial. Die vielfältigen therapeutischen Eigenschaften von MSZ-sEV zeigen sich in kardialen und zerebralen Infarktmodellen sowie bei fibrotischen Nieren- und Lungenerkrankungen [4]. Auch Tumorzellen machen sich EV zu Nutze, um proliferationsfördernde Signale auszutauschen, Immunzellen abzuwehren und die Metastasierung voranzutreiben. So modulieren Tumor-sEV (T-EV) das Immunsystem, indem sie, z. B. durch Transfer von miR-1246 in sEV, Makrophagen zu pro-tumorigenen, tumorassoziierten Makrophagen umprogrammieren [5]. Durch Sekretion von Fibronektin auf sEV können Tumorzellen zudem die Interaktion mit der extrazellulären Matrix erhöhen und durch die sEV-Sekretion von Matrixmetalloproteasen, wie MT1MMP, Motilität und Invasivität steigern [6]. Am Beispiel von Brustkrebszellen konnte gezeigt werden, dass Motilität, Invasion und Metastasierung zudem von sEV stimuliert werden, die von tumorassoziierten Fibroblasten sekretiert werden [6]. Erreichen T-EV den Blutkreislauf, können sie in verschiedenen Organen metastatische Nischen vorbereiten, wobei der Organtropismus der Metastasierung maßgeblich von T-EV-ständigen Integrinen vermittelt wird [7]. Daher stellt die Charakterisierung von T-EV aus Flüssigbiopsien eine schonende und vielversprechende Möglichkeit dar, Tumore frühzeitig zu diagnostizieren, sowie Therapieerfolge langfristig zu überwachen. Beispielsweise sind im Prostatakarzinom Claudin-3 und microRNA (miR-10a-5p und miR-29b-3p) spezifisch in Blutproben erkrankter Patienten angereichert [8]. Vorausset z u ng dafür, ihr diagnostisches und therapeutisches Potenzial voll auszunutzen, ist jedoch zunächst ein besseres Verständnis für die Biogenese und kontextabhängige Sekretion von EV. ˚ Abb. 2: Überblick über physiologische und pathologische Funktionen extrazellulärer Vesikel [2]. Forschung an extrazellulären Vesikeln i (...truncated)