隧道納米管的研究進(jìn)展

曹靜 鄧洋 高磊 羅昕悅 李峰

1包頭醫(yī)學(xué)院公共衛(wèi)生學(xué)院（內(nèi)蒙古包頭 014000）；2包頭醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院公共衛(wèi)生科（內(nèi)蒙古包頭 014000）

多細(xì)胞生物體的生長(zhǎng)、發(fā)育等活動(dòng)需要細(xì)胞間的相互配合、相互協(xié)調(diào)，因此細(xì)胞間通訊是至關(guān)重要的。細(xì)胞間通訊在干細(xì)胞分化、組織再生、神經(jīng)退行性疾病、免疫反應(yīng)等多個(gè)過程中起到重要作用。

動(dòng)物細(xì)胞間的通訊方法包括分泌化學(xué)信號(hào)、接觸性依賴、間隙連接以及隧道納米管（tunneling nanotubes，TNTs）等。2004 年，RUSTOM 等［1］在大鼠腎上腺嗜鉻細(xì)胞瘤細(xì)胞（pheochromocytoma cell，PC12）、人胚胎腎細(xì)胞（human embryonic kidney cell，HEK）和正常大鼠腎細(xì)胞（normal rat kidney cell，NRK）之間觀察到一種極細(xì)的、能夠轉(zhuǎn)移蛋白質(zhì)、線粒體等物質(zhì)的膜納米管道，并命名為“隧道納米管”（TNTs）。TNTs 不同于以往的間隙連接，是一種新型的細(xì)胞間的通訊方式。間隙連接大多是負(fù)責(zé)細(xì)胞間短程通訊，而TNTs 可以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞間遠(yuǎn)距離、定向通訊。目前已經(jīng)在神經(jīng)細(xì)胞、免疫細(xì)胞以及腫瘤細(xì)胞等多種類型的細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)TNTs的身影［2-4］。本文綜述了TNTs 的形態(tài)結(jié)構(gòu)及其分類、形成機(jī)制及相應(yīng)的調(diào)節(jié)因子、生物功能、生理學(xué)意義。

1 TNTs 的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、分類

1.1 形態(tài)TNTs 呈直線管狀，直徑在50～200 nm之間，長(zhǎng)度可達(dá)幾個(gè)細(xì)胞直徑，是基于纖維形肌動(dòng)蛋白（fibrous actin，F(xiàn)-actin）的橋狀膜結(jié)構(gòu)。TNTs直線連接兩個(gè)細(xì)胞，很少出現(xiàn)分支狀［1］。同時(shí)，TNTs 的形成不局限于成對(duì)細(xì)胞，它可以在眾多細(xì)胞間形成復(fù)雜的通信網(wǎng)絡(luò)，這一點(diǎn)在后續(xù)的研究中也得到證實(shí)。DUPONT 等［5］觀察到TNTs 存在于多個(gè)巨噬細(xì)胞間，證明TNTs 可在巨噬細(xì)胞間構(gòu)建形成細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)。

不同類型細(xì)胞間TNTs 的直徑、長(zhǎng)度以及壽命均存在較大差異。大多數(shù)情況下TNTs 是由一束束單個(gè)的TNT（individual tunneling nanotubes，iTNTs）組成的，小鼠神經(jīng)元細(xì)胞CAD（cath.a-differentiated cell，CAD）和人類神經(jīng)母細(xì)胞瘤SH-SY5Y 細(xì)胞間的iTNTs 直徑一般＜200 nm，但較粗的iTNTs 直徑長(zhǎng)達(dá)550 nm［6］。TNTs 的長(zhǎng)度因細(xì)胞而異，在幾十到數(shù)百微米不等。HEK293 細(xì)胞間的TNTs 長(zhǎng)度約為21～30 μm，T24 和RT4 細(xì)胞間TNTs 長(zhǎng)度甚至達(dá)到1 mm［7-8］。衣原體感染的HEK293 細(xì)胞與其他細(xì)胞間生成的TNTs 壽命長(zhǎng)達(dá)5 h，是正常HEK293 細(xì)胞間TNTs 壽命的7 倍不止［9］。

1.2 結(jié)構(gòu)TNTs 主要由F-actin、微管（tubulin）等細(xì)胞內(nèi)部骨架和細(xì)胞膜構(gòu)成，懸停在底物上，連接不同的細(xì)胞。F-actin 是由球狀肌動(dòng)蛋白鏈螺旋纏繞形成的肌動(dòng)蛋白多聚體，又稱微絲（microfilaments）。TNTs 包含單束或多束iTNTs，每束iTNTs中都平行分布肌動(dòng)蛋白束，并被質(zhì)膜包圍，通過N-鈣粘蛋白連接［10］。經(jīng)過肌動(dòng)蛋白抑制劑處理過后的PC-12 細(xì)胞，TNTs 的生長(zhǎng)受到顯著抑制［1］。不同類型細(xì)胞的TNTs 在結(jié)構(gòu)上存在差異。比如，CAD 細(xì)胞間形成的TNTs 大多不含微管［11］。

1.3 分類不同類型的細(xì)胞TNTs 分類也不相同。在巨噬細(xì)胞間，直徑在20～700 nm 的稱為“細(xì)TNTs”，由F-actin 參與構(gòu)成，很少含有微管；直徑＞700 nm 的稱為“粗TNTs”，含有F-actin 和微管兩種成分。尿路上皮細(xì)胞間TNTs 依據(jù)形成機(jī)制分為Ⅰ型和Ⅱ型，細(xì)胞形成膜狀突起后與其他細(xì)胞接觸形成的膜通道為Ⅰ型納米管，Ⅱ型TNTs 是在兩細(xì)胞接觸后分開時(shí)形成的納米管道。Ⅰ型納米管比Ⅱ型納米管短，但穩(wěn)定性不如Ⅱ型納米管。兩種TNTs 中含有小囊泡，此現(xiàn)象稱為納米管的膨脹。小囊泡可以在Ⅰ型納米管中沿著管道向兩端移動(dòng)直到與細(xì)胞體接觸，但在Ⅱ型納米管中則不可以［12］。

2 TNTs 的形成機(jī)制

目前已知的形成機(jī)制有兩種。一種依賴于絲狀偽足樣膜突起的延伸，細(xì)胞膜伸出多個(gè)膜突起，其中一個(gè)突起與其他細(xì)胞發(fā)生接觸后，其余突起回縮，最終僅留一條形成TNTs［8，13］。另一種形成機(jī)制稱作細(xì)胞移位，即兩個(gè)細(xì)胞直接接觸，接觸部位發(fā)生膜融合，細(xì)胞分開時(shí)接觸部位被拉伸變形，形成TNTs［14］。接觸時(shí)間的長(zhǎng)短是能否形成穩(wěn)定TNTs 的關(guān)鍵。

3 TNTs 形成的調(diào)節(jié)因子

3.1 Eps8、CDC42、IRSp53、VASP表皮生長(zhǎng)因子受體通路8（epidermal growth factor receptor pathway 8，Eps8）是一種肌動(dòng)蛋白調(diào)節(jié)因子，在神經(jīng)元細(xì)胞中通過其加帽活性抑制絲狀偽足的延伸，但對(duì)TNTs 形成并沒有產(chǎn)生負(fù)面影響。相反，隨著Eps8表達(dá)上調(diào)，TNTs 的數(shù)量呈上升趨勢(shì)［10-9］。這表明Eps8 負(fù)向調(diào)控絲狀偽足的形成時(shí)，促進(jìn)了TNTs 的形成，是神經(jīng)元細(xì)胞中TNTs 的有效誘導(dǎo)劑之一。

分子胰島素受體底物p53（insulin receptor substrate of 53 kDa，IRSp53）的CRIB-PR 結(jié)構(gòu)域與細(xì)胞分裂周期蛋白42（cell division cycle 42，CDC42）結(jié)合影響質(zhì)膜的重塑能力，同時(shí)，IRSp53 的SH3 結(jié)構(gòu)域介導(dǎo)IRSp53 與血管擴(kuò)張刺激磷蛋白（vasodilatorstimulated phosphoprotein，VASP）、神經(jīng)-奧德里奇綜合征蛋白、WASP 家族Verprolin 同源蛋白、Eps8等細(xì)胞骨架效應(yīng)物相互作用，促使形成膜褶皺和膜突起［15］。

3.2 Exocyst 復(fù)合體、M-sec、RalA哺乳動(dòng)物蛋白M-sec 需要依靠與RalA、Exocyst 復(fù)合體之間的相互作用誘導(dǎo)膜突出，影響TNTs 的形成，三者共同構(gòu)成了一個(gè)調(diào)節(jié)膜納米管形成的系統(tǒng)［16］。Exocyst 復(fù)合體與RalA-GTP 結(jié)合能夠誘導(dǎo)膜突起的形成，該結(jié)合過程受到干擾時(shí)，會(huì)顯著抑制M-sec 對(duì)于膜突起的誘導(dǎo)作用［17］。足細(xì)胞間依賴M-sec 形成TNTs，M-sec 缺陷的足細(xì)胞在重新表達(dá)M-sec 后，TNTs 的形成增加，細(xì)胞間的線粒體交換也隨之增強(qiáng)［18］。

3.3 Fyn/ROCK/p-paxillin 信號(hào)通路Fyn/ROCK/p-paxillin 信號(hào)通路能夠影響F-肌動(dòng)蛋白的重塑過程，并借此調(diào)節(jié)TNTs 的形成［19］。樁蛋白（paxillin）是一種磷酸化依賴性蛋白，在利用肌動(dòng)蛋白構(gòu)建細(xì)胞骨架的過程中起重要作用，而Fyn/ROCK 信號(hào)通路的激活明顯抑制paxillin 的磷酸化，從而影響細(xì)胞骨架構(gòu)建。葡萄糖造成的高糖環(huán)境便可以通過激活Fyn/ROCK/p-paxillin 信號(hào)通路誘導(dǎo)膀胱腫瘤細(xì)胞之間TNTs 的形成［19］。

3.4 Wnt/Ca2+通路Wnt/Ca2+通路參與了肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架的重塑過程，在神經(jīng)元細(xì)胞系TNTs 的形成及功能的發(fā)揮中起重要作用。鈣調(diào)素依賴性蛋白激酶Ⅱ（Calcium/calmodulin-depend-ent protein kinase Ⅱ，CaMKⅡ）是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，參與細(xì)胞內(nèi)的Ca2+運(yùn)輸［20］。Wnt/Ca2+通路激活后，Ca2+濃度增加，進(jìn)而激活CaMKⅡ在內(nèi)的部分轉(zhuǎn)錄因子。而CaMKⅡ在神經(jīng)元細(xì)胞系和初級(jí)神經(jīng)元中能夠調(diào)節(jié)TNTs 的形成［21］。

3.5 肌球蛋白X（myosin X，Myo10）Myo10 是一種非常規(guī)的分子馬達(dá)，在神經(jīng)元CAD 細(xì)胞中誘導(dǎo)TNTs 的形成。Myo10 尾部FERM 結(jié)構(gòu)域的F2 是形成TNTs 的必要結(jié)構(gòu)。利用基因沉默抑制Myo10 的表達(dá)后，小梁網(wǎng)細(xì)胞間TNTs 的形成減少［22］。HIV-1負(fù)性因子（negative factor，Nef）在HIV-1 的發(fā)病機(jī)制中起重要作用。在巨噬細(xì)胞中，Nef 通過調(diào)節(jié)Myo10 的表達(dá)增加細(xì)胞間TNTs 的數(shù)量，并且借助TNTs 將自身從巨噬細(xì)胞轉(zhuǎn)移到T 細(xì)胞［23］。

此外，一些機(jī)械外力、環(huán)境條件也會(huì)影響TNTs的形成和穩(wěn)定性。比如，淺低溫（33 ℃）作用下星形膠質(zhì)細(xì)胞與氧糖剝奪/復(fù)氧損傷神經(jīng)元模型之間隧道納米管的數(shù)量以及通過該途徑轉(zhuǎn)移的線粒體的數(shù)量均減少［24］。TNTs 所處環(huán)境的硬度會(huì)對(duì)TNTs 的穩(wěn)定性造成影響，在高硬度胰腺癌微環(huán)境中，便可以通過激活YAP 信號(hào)通路抑制TNTs 的形成與功能的發(fā)揮［25］。TNTs 對(duì)光刺激敏感，PC-12細(xì)胞間TNTs 在光照刺激下部分發(fā)生斷裂［1］。

4 TNTs 的功能

4.1 TNTs 介導(dǎo)遺傳信息的傳遞TNTs 具有遠(yuǎn)距離通訊與運(yùn)輸?shù)墓δ?，又被稱為細(xì)胞間的“高速公路”。TNTs 能夠介導(dǎo)mRNA、病毒RNA、非編碼RNA、DNA 等遺傳信息在細(xì)胞間傳遞，并以此影響受體細(xì)胞的某些基因表達(dá)和生理功能［26］。角質(zhì)形成細(xì)胞可以借助TNTs 納米管道將mRNA 傳遞給朗格漢斯細(xì)胞［27］。microRNA-155 通過TNTs 在膀胱癌細(xì)胞RT4 和T24 之間轉(zhuǎn)移，增強(qiáng)膀胱癌細(xì)胞的侵襲和增殖能力［28］。

4.2 TNTs 介導(dǎo)Ca2+的長(zhǎng)距離傳遞細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度的瞬時(shí)增加會(huì)被放大為Ca2+波，大量Ca2+在細(xì)胞間傳遞時(shí)形成的Ca2+波即細(xì)胞間鈣波（intercellular calcium waves，ICW）［29］。毛細(xì)血管系統(tǒng)中兩個(gè)獨(dú)立的周細(xì)胞間形成的TNTs 被稱為周細(xì)胞間隧道納米管（interpericyte tunnelling nanotubes，IP-TNTs），并且能夠在小鼠視網(wǎng)膜中形成功能性TNTs 網(wǎng)絡(luò)。在缺血情況下，視網(wǎng)膜中周細(xì)胞可以利用IPTNTs 傳遞ICW，進(jìn)而控制局部神經(jīng)血管耦合，并且協(xié)調(diào)相鄰毛細(xì)血管之間的光誘發(fā)反應(yīng)［30］。另外，人視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞之間也能夠形成TNTs，并傳導(dǎo)鈣信號(hào)［31］。

4.3 TNTs 介導(dǎo)細(xì)胞器的轉(zhuǎn)移TNTs 憑借其足夠大的內(nèi)徑在細(xì)胞間擔(dān)任轉(zhuǎn)移線粒體、高爾基體、溶酶體等細(xì)胞器和細(xì)胞內(nèi)囊泡的工作［32］。線粒體作為細(xì)胞代謝的主要場(chǎng)所，受損會(huì)引起機(jī)體氧化應(yīng)激，并釋放活性氧（reactive oxygen species，ROS），后者可作為信號(hào)分子參與免疫應(yīng)答反應(yīng)，當(dāng)ROS達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)造成細(xì)胞氧化性損傷，最終引發(fā)炎癥，加速腫瘤等疾病的發(fā)生。線粒體在細(xì)胞間的運(yùn)輸可以通過TNTs、間隙連接、細(xì)胞融合以及細(xì)胞內(nèi)吞等多種形式實(shí)現(xiàn)，但TNTs 轉(zhuǎn)運(yùn)是細(xì)胞間線粒體轉(zhuǎn)移的主要途徑［33］。

TNTs 在應(yīng)激條件下可以作為細(xì)胞的一種生存機(jī)制。褪黑素能夠借助TNTs 促進(jìn)受損HT22 細(xì)胞間的線粒體轉(zhuǎn)移［2］。此外，線粒體呼吸鏈正常的細(xì)胞可以通過TNTs 給線粒體呼吸鏈缺失的細(xì)胞轉(zhuǎn)移線粒體，使其存活［34］。線粒體在某些細(xì)胞間TNTs 中的轉(zhuǎn)運(yùn)也可以是雙向的。間充質(zhì)干細(xì)胞、臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞間存在的TNTs 可以介導(dǎo)細(xì)胞間線粒體的雙向轉(zhuǎn)運(yùn)，促進(jìn)細(xì)胞的成骨能力以及成血管能力［35-36］。在骨組織再生領(lǐng)域中，TNTs 運(yùn)輸細(xì)胞間線粒體可以促進(jìn)骨再生過程［37］。

TNTs 介導(dǎo)的細(xì)胞器轉(zhuǎn)移對(duì)機(jī)體健康也存在負(fù)面影響。在膀胱癌細(xì)胞系中觀察到，線粒體通過TNTs 自發(fā)地從T24 細(xì)胞向RT4 細(xì)胞進(jìn)行單向移動(dòng)，促進(jìn)膀胱癌細(xì)胞對(duì)機(jī)體的侵襲［38］。帕金森?。≒arkinson's disease，PD）的主要病因便是以朊病毒樣繁殖的α-突觸核蛋白（α-synuclein，α-syn）聚集體在大腦中的累積導(dǎo)致大腦損傷，而α-syn 聚集體便是借助溶酶體從隧道納米管中穿梭，游走于細(xì)胞之間［39］。

4.4 TNTs 介導(dǎo)病毒、細(xì)菌的擴(kuò)散TNTs 可以參與病毒、朊病毒、細(xì)菌在細(xì)胞間的運(yùn)轉(zhuǎn)。病毒入侵機(jī)體后可以借助細(xì)胞間TNTs 從已感染細(xì)胞釋放進(jìn)入健康細(xì)胞，一定程度上逃避機(jī)體免疫系統(tǒng)的攻擊，促進(jìn)病毒對(duì)機(jī)體的侵襲。在樹突狀細(xì)胞（dendritic cell，DC）中，1 型人類免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus 1，HIV-1）能夠劫持TNTs 通道，加速病毒在機(jī)體內(nèi)的復(fù)制與釋放，而在使用TNTs 抑制劑后，DC 和CD4+T 細(xì)胞的HIV感染率明顯下降［40］。研究［11，23］表明，HIV-1 可以利用TNTs 選擇性的將Nef 從被感染的巨噬細(xì)胞中轉(zhuǎn)移到B 細(xì)胞和T 細(xì)胞。此外，TNTs 還允許朊病毒（PrPSc）在已被感染的CAD 細(xì)胞與未成熟的CAD 細(xì)胞間轉(zhuǎn)移，加速朊病毒在機(jī)體的擴(kuò)散。并且TNTs 參與了PrPSc 在中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元內(nèi)的擴(kuò)散，還借助樹突狀細(xì)胞在神經(jīng)免疫系統(tǒng)中的作用在外周神經(jīng)系統(tǒng)的擴(kuò)散朊病毒［11］。衣原體感染的供體細(xì)胞與未受感染的受體細(xì)胞間胞質(zhì)的定向交換也可由TNTs 介導(dǎo)［41］。

5 TNTs 的生理學(xué)意義

5.1 免疫TNTs 參與了免疫過程中抗原的轉(zhuǎn)運(yùn)，核酸、抗原蛋白、主要組織相容復(fù)合物等抗原成分從供體細(xì)胞轉(zhuǎn)移到胸腺、過敏處、病變部位的受體細(xì)胞中，刺激機(jī)體免疫系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)抗體［42］。在病毒蛋白Tax 的誘導(dǎo)下，M-sec 介導(dǎo)CD4+T 細(xì)胞間1 型人T 細(xì)胞白血病病毒的感染，很有可能是通過影響TNTs 的形成實(shí)現(xiàn)的［43］。

5.2 發(fā)育2004 年，LOMELI 等觀察到全小鼠胚泡培養(yǎng)物中的ICM 細(xì)胞與壁滋養(yǎng)外胚層細(xì)胞由細(xì)長(zhǎng)的突起穿過囊胚腔連接，這里的突起極有可能是同年RUSTOM 等人發(fā)現(xiàn)的TNTs 樣結(jié)構(gòu)［1，44］。在腦發(fā)育早期，神經(jīng)祖細(xì)胞的突觸還未形成時(shí)，在初級(jí)神經(jīng)元間發(fā)現(xiàn)了TNTs 樣結(jié)構(gòu)的存在，這說明神經(jīng)元未分化之前很有可能是借助TNTs 實(shí)現(xiàn)相互間的信息交流［21］，提示TNTs 參與了早期發(fā)育進(jìn)程。

5.3 疾病在疾病方面，TNTs 通過介導(dǎo)突變型亨廷頓蛋白（mutant huntingtin，mHTT）在神經(jīng)元細(xì)胞間的轉(zhuǎn)移，促進(jìn)mHTT 及其聚集體的擴(kuò)散，引發(fā)神經(jīng)退行性疾病-亨廷頓?。℉untington's disease，HD）［45-46］。同時(shí)，TNTs 的運(yùn)輸機(jī)制加強(qiáng)了腫瘤細(xì)胞間以及腫瘤細(xì)胞與腫瘤微環(huán)境間的物質(zhì)交換，對(duì)腫瘤的發(fā)生與發(fā)展起促進(jìn)作用。目前已在肺、喉、膀胱、乳腺等多個(gè)器官的腫瘤細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了TNTs 的存在。膠質(zhì)母細(xì)胞瘤干細(xì)胞（glioblastoma stem cells，GSCs）間的功能性TNTs，便通過在細(xì)胞間轉(zhuǎn)移線粒體，促進(jìn)GSCs 的細(xì)胞間交流，推動(dòng)膠質(zhì)母細(xì)胞瘤（glioblastoma multiforme，GBM）對(duì)大腦的侵襲［47］。

此外，TNTs 也參與了某些損傷修復(fù)過程。M-sec、TNTs、線粒體共同構(gòu)成足細(xì)胞損傷調(diào)節(jié)機(jī)制，在M-sec 誘導(dǎo)下，足細(xì)胞間TNTs 通過轉(zhuǎn)移線粒體恢復(fù)部分足細(xì)胞損傷［18］。

6 展望

目前雖然已經(jīng)對(duì)TNTs 的形態(tài)結(jié)構(gòu)、形成機(jī)制、調(diào)節(jié)因子、功能以及與一些疾病發(fā)展的關(guān)系有一定了解，但對(duì)于TNTs 的研究還有較大的探索空間。比如在其他細(xì)胞上是否也存在TNTs，不同細(xì)胞間TNTs 的直徑、長(zhǎng)度與壽命是否存在差異。另外，在骨架構(gòu)成成分中，肌動(dòng)蛋白、微管等物質(zhì)并非全部同時(shí)存在，而是主要由肌動(dòng)蛋白構(gòu)成，為什么會(huì)存在這樣的結(jié)構(gòu)差異。所以，我們需要大量的實(shí)驗(yàn)研究探索各種細(xì)胞間TNTs 的形態(tài)結(jié)構(gòu)和具體構(gòu)成成分。另外，TNTs 的特異性標(biāo)志物還未發(fā)現(xiàn)，這在一定程度上阻礙了某些靶向性研究的進(jìn)行。TNTs 形成相關(guān)的調(diào)節(jié)因子之間也存在復(fù)雜的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，期待未來能夠在此方面取得更多實(shí)質(zhì)性的研究結(jié)果。TNTs 的通訊與運(yùn)輸功能是否與其形態(tài)結(jié)構(gòu)、形成機(jī)制等有關(guān)，以及TNTs 在諸多疾病發(fā)生發(fā)展中的作用，都是有待進(jìn)一步探索的方面。同時(shí)，也希望TNTs 領(lǐng)域的諸多新發(fā)現(xiàn)能夠?yàn)橄嚓P(guān)疾病的治療提供更多的新思路、新方案、新靶點(diǎn)。