隧道纳米管的研究进展

曹静 邓洋 高磊 罗昕悦 李峰

1包头医学院公共卫生学院（内蒙古包头 014000）；2包头医学院第一附属医院公共卫生科（内蒙古包头 014000）

多细胞生物体的生长、发育等活动需要细胞间的相互配合、相互协调，因此细胞间通讯是至关重要的。细胞间通讯在干细胞分化、组织再生、神经退行性疾病、免疫反应等多个过程中起到重要作用。

动物细胞间的通讯方法包括分泌化学信号、接触性依赖、间隙连接以及隧道纳米管（tunneling nanotubes，TNTs）等。2004 年，RUSTOM 等［1］在大鼠肾上腺嗜铬细胞瘤细胞（pheochromocytoma cell，PC12）、人胚胎肾细胞（human embryonic kidney cell，HEK）和正常大鼠肾细胞（normal rat kidney cell，NRK）之间观察到一种极细的、能够转移蛋白质、线粒体等物质的膜纳米管道，并命名为“隧道纳米管”（TNTs）。TNTs 不同于以往的间隙连接，是一种新型的细胞间的通讯方式。间隙连接大多是负责细胞间短程通讯，而TNTs 可以实现细胞间远距离、定向通讯。目前已经在神经细胞、免疫细胞以及肿瘤细胞等多种类型的细胞中发现TNTs的身影［2-4］。本文综述了TNTs 的形态结构及其分类、形成机制及相应的调节因子、生物功能、生理学意义。

1 TNTs 的形态、结构、分类

1.1 形态TNTs 呈直线管状，直径在50～200 nm之间，长度可达几个细胞直径，是基于纤维形肌动蛋白（fibrous actin，F-actin）的桥状膜结构。TNTs直线连接两个细胞，很少出现分支状［1］。同时，TNTs 的形成不局限于成对细胞，它可以在众多细胞间形成复杂的通信网络，这一点在后续的研究中也得到证实。DUPONT 等［5］观察到TNTs 存在于多个巨噬细胞间，证明TNTs 可在巨噬细胞间构建形成细胞网络。

不同类型细胞间TNTs 的直径、长度以及寿命均存在较大差异。大多数情况下TNTs 是由一束束单个的TNT（individual tunneling nanotubes，iTNTs）组成的，小鼠神经元细胞CAD（cath.a-differentiated cell，CAD）和人类神经母细胞瘤SH-SY5Y 细胞间的iTNTs 直径一般＜200 nm，但较粗的iTNTs 直径长达550 nm［6］。TNTs 的长度因细胞而异，在几十到数百微米不等。HEK293 细胞间的TNTs 长度约为21～30 μm，T24 和RT4 细胞间TNTs 长度甚至达到1 mm［7-8］。衣原体感染的HEK293 细胞与其他细胞间生成的TNTs 寿命长达5 h，是正常HEK293 细胞间TNTs 寿命的7 倍不止［9］。

1.2 结构TNTs 主要由F-actin、微管（tubulin）等细胞内部骨架和细胞膜构成，悬停在底物上，连接不同的细胞。F-actin 是由球状肌动蛋白链螺旋缠绕形成的肌动蛋白多聚体，又称微丝（microfilaments）。TNTs 包含单束或多束iTNTs，每束iTNTs中都平行分布肌动蛋白束，并被质膜包围，通过N-钙粘蛋白连接［10］。经过肌动蛋白抑制剂处理过后的PC-12 细胞，TNTs 的生长受到显著抑制［1］。不同类型细胞的TNTs 在结构上存在差异。比如，CAD 细胞间形成的TNTs 大多不含微管［11］。

1.3 分类不同类型的细胞TNTs 分类也不相同。在巨噬细胞间，直径在20～700 nm 的称为“细TNTs”，由F-actin 参与构成，很少含有微管；直径＞700 nm 的称为“粗TNTs”，含有F-actin 和微管两种成分。尿路上皮细胞间TNTs 依据形成机制分为Ⅰ型和Ⅱ型，细胞形成膜状突起后与其他细胞接触形成的膜通道为Ⅰ型纳米管，Ⅱ型TNTs 是在两细胞接触后分开时形成的纳米管道。Ⅰ型纳米管比Ⅱ型纳米管短，但稳定性不如Ⅱ型纳米管。两种TNTs 中含有小囊泡，此现象称为纳米管的膨胀。小囊泡可以在Ⅰ型纳米管中沿着管道向两端移动直到与细胞体接触，但在Ⅱ型纳米管中则不可以［12］。

2 TNTs 的形成机制

目前已知的形成机制有两种。一种依赖于丝状伪足样膜突起的延伸，细胞膜伸出多个膜突起，其中一个突起与其他细胞发生接触后，其余突起回缩，最终仅留一条形成TNTs［8，13］。另一种形成机制称作细胞移位，即两个细胞直接接触，接触部位发生膜融合，细胞分开时接触部位被拉伸变形，形成TNTs［14］。接触时间的长短是能否形成稳定TNTs 的关键。

3 TNTs 形成的调节因子

3.1 Eps8、CDC42、IRSp53、VASP表皮生长因子受体通路8（epidermal growth factor receptor pathway 8，Eps8）是一种肌动蛋白调节因子，在神经元细胞中通过其加帽活性抑制丝状伪足的延伸，但对TNTs 形成并没有产生负面影响。相反，随着Eps8表达上调，TNTs 的数量呈上升趋势［10-9］。这表明Eps8 负向调控丝状伪足的形成时，促进了TNTs 的形成，是神经元细胞中TNTs 的有效诱导剂之一。

分子胰岛素受体底物p53（insulin receptor substrate of 53 kDa，IRSp53）的CRIB-PR 结构域与细胞分裂周期蛋白42（cell division cycle 42，CDC42）结合影响质膜的重塑能力，同时，IRSp53 的SH3 结构域介导IRSp53 与血管扩张刺激磷蛋白（vasodilatorstimulated phosphoprotein，VASP）、神经-奥德里奇综合征蛋白、WASP 家族Verprolin 同源蛋白、Eps8等细胞骨架效应物相互作用，促使形成膜褶皱和膜突起［15］。

3.2 Exocyst 复合体、M-sec、RalA哺乳动物蛋白M-sec 需要依靠与RalA、Exocyst 复合体之间的相互作用诱导膜突出，影响TNTs 的形成，三者共同构成了一个调节膜纳米管形成的系统［16］。Exocyst 复合体与RalA-GTP 结合能够诱导膜突起的形成，该结合过程受到干扰时，会显著抑制M-sec 对于膜突起的诱导作用［17］。足细胞间依赖M-sec 形成TNTs，M-sec 缺陷的足细胞在重新表达M-sec 后，TNTs 的形成增加，细胞间的线粒体交换也随之增强［18］。

3.3 Fyn/ROCK/p-paxillin 信号通路Fyn/ROCK/p-paxillin 信号通路能够影响F-肌动蛋白的重塑过程，并借此调节TNTs 的形成［19］。桩蛋白（paxillin）是一种磷酸化依赖性蛋白，在利用肌动蛋白构建细胞骨架的过程中起重要作用，而Fyn/ROCK 信号通路的激活明显抑制paxillin 的磷酸化，从而影响细胞骨架构建。葡萄糖造成的高糖环境便可以通过激活Fyn/ROCK/p-paxillin 信号通路诱导膀胱肿瘤细胞之间TNTs 的形成［19］。

3.4 Wnt/Ca2+通路Wnt/Ca2+通路参与了肌动蛋白细胞骨架的重塑过程，在神经元细胞系TNTs 的形成及功能的发挥中起重要作用。钙调素依赖性蛋白激酶Ⅱ（Calcium/calmodulin-depend-ent protein kinase Ⅱ，CaMKⅡ）是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，参与细胞内的Ca2+运输［20］。Wnt/Ca2+通路激活后，Ca2+浓度增加，进而激活CaMKⅡ在内的部分转录因子。而CaMKⅡ在神经元细胞系和初级神经元中能够调节TNTs 的形成［21］。

3.5 肌球蛋白X（myosin X，Myo10）Myo10 是一种非常规的分子马达，在神经元CAD 细胞中诱导TNTs 的形成。Myo10 尾部FERM 结构域的F2 是形成TNTs 的必要结构。利用基因沉默抑制Myo10 的表达后，小梁网细胞间TNTs 的形成减少［22］。HIV-1负性因子（negative factor，Nef）在HIV-1 的发病机制中起重要作用。在巨噬细胞中，Nef 通过调节Myo10 的表达增加细胞间TNTs 的数量，并且借助TNTs 将自身从巨噬细胞转移到T 细胞［23］。

此外，一些机械外力、环境条件也会影响TNTs的形成和稳定性。比如，浅低温（33 ℃）作用下星形胶质细胞与氧糖剥夺/复氧损伤神经元模型之间隧道纳米管的数量以及通过该途径转移的线粒体的数量均减少［24］。TNTs 所处环境的硬度会对TNTs 的稳定性造成影响，在高硬度胰腺癌微环境中，便可以通过激活YAP 信号通路抑制TNTs 的形成与功能的发挥［25］。TNTs 对光刺激敏感，PC-12细胞间TNTs 在光照刺激下部分发生断裂［1］。

4 TNTs 的功能

4.1 TNTs 介导遗传信息的传递TNTs 具有远距离通讯与运输的功能，又被称为细胞间的“高速公路”。TNTs 能够介导mRNA、病毒RNA、非编码RNA、DNA 等遗传信息在细胞间传递，并以此影响受体细胞的某些基因表达和生理功能［26］。角质形成细胞可以借助TNTs 纳米管道将mRNA 传递给朗格汉斯细胞［27］。microRNA-155 通过TNTs 在膀胱癌细胞RT4 和T24 之间转移，增强膀胱癌细胞的侵袭和增殖能力［28］。

4.2 TNTs 介导Ca2+的长距离传递细胞内Ca2+浓度的瞬时增加会被放大为Ca2+波，大量Ca2+在细胞间传递时形成的Ca2+波即细胞间钙波（intercellular calcium waves，ICW）［29］。毛细血管系统中两个独立的周细胞间形成的TNTs 被称为周细胞间隧道纳米管（interpericyte tunnelling nanotubes，IP-TNTs），并且能够在小鼠视网膜中形成功能性TNTs 网络。在缺血情况下，视网膜中周细胞可以利用IPTNTs 传递ICW，进而控制局部神经血管耦合，并且协调相邻毛细血管之间的光诱发反应［30］。另外，人视网膜色素上皮细胞之间也能够形成TNTs，并传导钙信号［31］。

4.3 TNTs 介导细胞器的转移TNTs 凭借其足够大的内径在细胞间担任转移线粒体、高尔基体、溶酶体等细胞器和细胞内囊泡的工作［32］。线粒体作为细胞代谢的主要场所，受损会引起机体氧化应激，并释放活性氧（reactive oxygen species，ROS），后者可作为信号分子参与免疫应答反应，当ROS达到一定程度时会造成细胞氧化性损伤，最终引发炎症，加速肿瘤等疾病的发生。线粒体在细胞间的运输可以通过TNTs、间隙连接、细胞融合以及细胞内吞等多种形式实现，但TNTs 转运是细胞间线粒体转移的主要途径［33］。

TNTs 在应激条件下可以作为细胞的一种生存机制。褪黑素能够借助TNTs 促进受损HT22 细胞间的线粒体转移［2］。此外，线粒体呼吸链正常的细胞可以通过TNTs 给线粒体呼吸链缺失的细胞转移线粒体，使其存活［34］。线粒体在某些细胞间TNTs 中的转运也可以是双向的。间充质干细胞、脐静脉内皮细胞间存在的TNTs 可以介导细胞间线粒体的双向转运，促进细胞的成骨能力以及成血管能力［35-36］。在骨组织再生领域中，TNTs 运输细胞间线粒体可以促进骨再生过程［37］。

TNTs 介导的细胞器转移对机体健康也存在负面影响。在膀胱癌细胞系中观察到，线粒体通过TNTs 自发地从T24 细胞向RT4 细胞进行单向移动，促进膀胱癌细胞对机体的侵袭［38］。帕金森病（Parkinson's disease，PD）的主要病因便是以朊病毒样繁殖的α-突触核蛋白（α-synuclein，α-syn）聚集体在大脑中的累积导致大脑损伤，而α-syn 聚集体便是借助溶酶体从隧道纳米管中穿梭，游走于细胞之间［39］。

4.4 TNTs 介导病毒、细菌的扩散TNTs 可以参与病毒、朊病毒、细菌在细胞间的运转。病毒入侵机体后可以借助细胞间TNTs 从已感染细胞释放进入健康细胞，一定程度上逃避机体免疫系统的攻击，促进病毒对机体的侵袭。在树突状细胞（dendritic cell，DC）中，1 型人类免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus 1，HIV-1）能够劫持TNTs 通道，加速病毒在机体内的复制与释放，而在使用TNTs 抑制剂后，DC 和CD4+T 细胞的HIV感染率明显下降［40］。研究［11，23］表明，HIV-1 可以利用TNTs 选择性的将Nef 从被感染的巨噬细胞中转移到B 细胞和T 细胞。此外，TNTs 还允许朊病毒（PrPSc）在已被感染的CAD 细胞与未成熟的CAD 细胞间转移，加速朊病毒在机体的扩散。并且TNTs 参与了PrPSc 在中枢神经系统神经元内的扩散，还借助树突状细胞在神经免疫系统中的作用在外周神经系统的扩散朊病毒［11］。衣原体感染的供体细胞与未受感染的受体细胞间胞质的定向交换也可由TNTs 介导［41］。

5 TNTs 的生理学意义

5.1 免疫TNTs 参与了免疫过程中抗原的转运，核酸、抗原蛋白、主要组织相容复合物等抗原成分从供体细胞转移到胸腺、过敏处、病变部位的受体细胞中，刺激机体免疫系统产生相应抗体［42］。在病毒蛋白Tax 的诱导下，M-sec 介导CD4+T 细胞间1 型人T 细胞白血病病毒的感染，很有可能是通过影响TNTs 的形成实现的［43］。

5.2 发育2004 年，LOMELI 等观察到全小鼠胚泡培养物中的ICM 细胞与壁滋养外胚层细胞由细长的突起穿过囊胚腔连接，这里的突起极有可能是同年RUSTOM 等人发现的TNTs 样结构［1，44］。在脑发育早期，神经祖细胞的突触还未形成时，在初级神经元间发现了TNTs 样结构的存在，这说明神经元未分化之前很有可能是借助TNTs 实现相互间的信息交流［21］，提示TNTs 参与了早期发育进程。

5.3 疾病在疾病方面，TNTs 通过介导突变型亨廷顿蛋白（mutant huntingtin，mHTT）在神经元细胞间的转移，促进mHTT 及其聚集体的扩散，引发神经退行性疾病-亨廷顿病（Huntington's disease，HD）［45-46］。同时，TNTs 的运输机制加强了肿瘤细胞间以及肿瘤细胞与肿瘤微环境间的物质交换，对肿瘤的发生与发展起促进作用。目前已在肺、喉、膀胱、乳腺等多个器官的肿瘤细胞中发现了TNTs 的存在。胶质母细胞瘤干细胞（glioblastoma stem cells，GSCs）间的功能性TNTs，便通过在细胞间转移线粒体，促进GSCs 的细胞间交流，推动胶质母细胞瘤（glioblastoma multiforme，GBM）对大脑的侵袭［47］。

此外，TNTs 也参与了某些损伤修复过程。M-sec、TNTs、线粒体共同构成足细胞损伤调节机制，在M-sec 诱导下，足细胞间TNTs 通过转移线粒体恢复部分足细胞损伤［18］。

6 展望

目前虽然已经对TNTs 的形态结构、形成机制、调节因子、功能以及与一些疾病发展的关系有一定了解，但对于TNTs 的研究还有较大的探索空间。比如在其他细胞上是否也存在TNTs，不同细胞间TNTs 的直径、长度与寿命是否存在差异。另外，在骨架构成成分中，肌动蛋白、微管等物质并非全部同时存在，而是主要由肌动蛋白构成，为什么会存在这样的结构差异。所以，我们需要大量的实验研究探索各种细胞间TNTs 的形态结构和具体构成成分。另外，TNTs 的特异性标志物还未发现，这在一定程度上阻碍了某些靶向性研究的进行。TNTs 形成相关的调节因子之间也存在复杂的关系网络，期待未来能够在此方面取得更多实质性的研究结果。TNTs 的通讯与运输功能是否与其形态结构、形成机制等有关，以及TNTs 在诸多疾病发生发展中的作用，都是有待进一步探索的方面。同时，也希望TNTs 领域的诸多新发现能够为相关疾病的治疗提供更多的新思路、新方案、新靶点。