Dr Sang-Ho Kwon (mitten) och hans forskargrupp. Kredit:Michael Holahan, Augusta University
Våra celler kommunicerar ständigt, och forskare har utvecklat ett effektivt sätt att ta reda på vilka meddelanden de skickar i proteinpackade biologiska resväskor som kallas exosomer.
Dessa sfäriska exosomer, som finns i det inre membranet i en cell men så småningom kommer att gå ut för att komma in i en annan cell, transporterar stora molekyler som proteiner, en grundläggande byggsten i kroppen och drivkrafter för biologisk aktivitet, och RNA, som producerar protein.
"Detta är en pågående process", säger Dr Sang-Ho Kwon, cellbiolog vid avdelningen för cellbiologi och anatomi vid Medical College of Georgia vid Augusta University, och det finns allt fler bevis för att det förekommer både i hälsotillstånd och sjukdom.
"Vi försöker ta reda på det här pusslet om vad exosomer gör i olika scenarier", säger Kwon. Han är motsvarande författare till en studie i Journal of Extracellular Vesicles beskriver en märkningsteknik som han och hans forskargrupp har utvecklat för att analysera innehållet i exosomer från någon specifik celltyp för att bättre förstå deras roll i välbefinnande och sjukdom.
"Deras innehåll kan hjälpa oss att berätta för oss vad våra celler berättar för varandra", säger Kwon, och ger troligen tidiga ledtrådar om att vi håller på att bli sjuka och hjälper oss att bättre förstå hur vi blir sjuka.
Man tror att last laddas tidigt i bildandet av exosomer av deras prekursorendosomer, nära cellmembranet, som fungerar ungefär som att fylla postbilen på postkontoret innan den beger sig ut på vägen. Exosomer kommer att stanna där tills de släpps av cellen för att resa till andra celler.
Kwon och hans team ville fånga lasten tidigt i processen.
Just nu är det huvudsakliga sättet att studera exosominnehåll att först ta exosomer ur sitt sammanhang, att isolera dem, en ganska mödosam process som kan ge inkonsekventa resultat. I själva verket kan det isolera en annan typ av vesiklar, i princip biologiska fack i vår kropp, av vilka exosomer bara är en typ.
MCG-teamet har utvecklat en effektivare metod som gör att bara innehållet i exosomer kan studeras och studeras var de är.
Deras märkningssystem inkluderar en variant av APEX, eller askorbatperoxidas, som är smält till ett annat protein som är känt för att söka upp exosomer. "APEX är typ av missilen som får mig in", säger Kwon. APEX har en hög affinitet för biotin, ett B-vitamin, som fäster sig till närliggande proteiner, som de exosomen som utvecklas bär, märker dem och hjälper till att identifiera dem. Biotin kan också passera genom cellmembranet som exosomer ligger bakom. Ytterligare ett protein, streptavidin, som binder naturligt till biotin, gör det möjligt för dem att rena och tydligt identifiera proteinlasten såväl som det RNA som kommer att producera framtida proteiner, med hjälp av analys som tillhandahålls av masspektrometri.
Kwons fokus är njurskador, och de har använt sitt system för att visa att oxidativ stress, en biprodukt av användningen av syre, som är överdriven och destruktiv vid sjukdomstillstånd, förändrar lastinnehållet i exosomer som tillverkas av njurceller och som finns i urinen. . Till exempel ändrades uttrycksnivåerna för vissa proteiner, och vissa proteiner försvann till och med.
Their technique should ease development of databases of the usual content of a variety of different cell types that will enable comparative studies of what happens to their content in different disease states like the kidney injuries Kwon studies, or cancer.
"It turns out that by looking at the exosomes in the urine or blood, and by looking at what is inside, we can tell whether the cell is injured or a healthy cell," he says.
Their first use of the labeling system was in live kidney cells in culture. They now want to use it in an animal model of kidney disease.
The scientific team says the labeling system additionally can help trace how exosome content changes over time and potentially how cells are responding to treatment in the case of disease.
Exosomes are known to play a key role in cell communication, both between cells of the same type and with other types. Again, there is increasing evidence of the role exosomes play in disease, including sharing with other cells the news that they are sick and potentially even helping spread disease. "It's not just passing good news. it also passes bad news," Kwon says.
He notes their cargo no doubt varies in those diverse scenarios, an important reason to be able to detect what exosomes are carrying. Changes may ultimately serve as good way to monitor response to treatment, another aspect of exosome research that is "exploding," Kwon says. Scientists also are exploring the potential of using exosomes to actually deliver treatment, by filling these biological packages with medication that can be delivered directly to the desired location.
In fact, immune cells, which are pivotal in health and disease, also are releasing exosomes. These biological compartments also appear to play an important role in taking cellular debris and other trash out of the cells.
"It's an emerging field, right now," says Kwon. Proteins are the primary occupant because they can send signals, but they can also bind to other proteins and change their function, he says. RNA can do the same, and tiny microRNA can alter gene expression and consequently cell function.
Kwon's interest in exosomes was sealed when, as a postdoc at the University of California San Francisco, he grew kidney tubules, which return vital nutrients to the blood and eliminate undesirables in the urine, in a dish and found evidence that exosomes were playing a key role in the changing gene dynamics there.
He calls the focus on exosomes "reverse science," with most people looking at how the cell changes while he and a growing number of colleagues are looking at the packages the cell is sending out to understand what the cell is up to. While it may not seem like it to most people, he says it's actually a less complex way to approach cell activity because you are looking at a smaller package with far fewer proteins. + Utforska vidare
