曹靜 鄧洋 高磊 羅昕悅 李峰

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

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

動物細胞間的通訊方法包括分泌化學信號、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胞瘤細胞（pheochromocytoma cell，PC12）、人胚胎腎細胞（human embryonic kidney cell，HEK）和正常大鼠腎細胞（normal rat kidney cell，NRK）之間觀察到一種極細的、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，是一種新型的細胞間的通訊方式。間隙連接大多是負責細胞間短程通訊，而TNTs 可以實現(xiàn)細胞間遠距離、定向通訊。目前已經(jīng)在神經(jīng)細胞、免疫細胞以及腫瘤細胞等多種類型的細胞中發(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、形成機制及相應的調(diào)節(jié)因子、生物功能、生理學意義。

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，長度可達幾個細胞直徑，是基于纖維形肌動蛋白（fibrous actin，F(xiàn)-actin）的橋狀膜結(jié)構(gòu)。TNTs直線連接兩個細胞，很少出現(xiàn)分支狀［1］。同時，TNTs 的形成不局限于成對細胞，它可以在眾多細胞間形成復雜的通信網(wǎng)絡，這一點在后續(xù)的研究中也得到證實。DUPONT 等［5］觀察到TNTs 存在于多個巨噬細胞間，證明TNTs 可在巨噬細胞間構(gòu)建形成細胞網(wǎng)絡。

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

1.2 結(jié)構(gòu)TNTs 主要由F-actin、微管（tubulin）等細胞內(nèi)部骨架和細胞膜構(gòu)成，懸停在底物上，連接不同的細胞。F-actin 是由球狀肌動蛋白鏈螺旋纏繞形成的肌動蛋白多聚體，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)過肌動蛋白抑制劑處理過后的PC-12 細胞，TNTs 的生長受到顯著抑制［1］。不同類型細胞的TNTs 在結(jié)構(gòu)上存在差異。比如，CAD 細胞間形成的TNTs 大多不含微管［11］。

1.3 分類不同類型的細胞TNTs 分類也不相同。在巨噬細胞間，直徑在20～700 nm 的稱為“細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。尿路上皮細胞間TNTs 依據(jù)形成機制分為Ⅰ型和Ⅱ型，細胞形成膜狀突起后與其他細胞接觸形成的膜通道為Ⅰ型納米管，Ⅱ型TNTs 是在兩細胞接觸后分開時形成的納米管道。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直到與細胞體接觸，但在Ⅱ型納米管中則不可以［12］。

2 TNTs 的形成機制

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

3 TNTs 形成的調(diào)節(jié)因子

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

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，IRSp53 的SH3 結(jié)構(gòu)域介導IRSp53 與血管擴張刺激磷蛋白（vasodilatorstimulated phosphoprotein，VASP）、神經(jīng)-奧德里奇綜合征蛋白、WASP 家族Verprolin 同源蛋白、Eps8等細胞骨架效應物相互作用，促使形成膜褶皺和膜突起［15］。

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

3.3 Fyn/ROCK/p-paxillin 信號通路Fyn/ROCK/p-paxillin 信號通路能夠影響F-肌動蛋白的重塑過程，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，在利用肌動蛋白構(gòu)建細胞骨架的過程中起重要作用，而Fyn/ROCK 信號通路的激活明顯抑制paxillin 的磷酸化，從而影響細胞骨架構(gòu)建。葡萄糖造成的高糖環(huán)境便可以通過激活Fyn/ROCK/p-paxillin 信號通路誘導膀胱腫瘤細胞之間TNTs 的形成［19］。

3.4 Wnt/Ca2+通路Wnt/Ca2+通路參與了肌動蛋白細胞骨架的重塑過程，在神經(jīng)元細胞系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，參與細胞內(nèi)的Ca2+運輸［20］。Wnt/Ca2+通路激活后，Ca2+濃度增加，進而激活CaMKⅡ在內(nèi)的部分轉(zhuǎn)錄因子。而CaMKⅡ在神經(jīng)元細胞系和初級神經(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，在神經(jīng)元CAD 細胞中誘導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 的表達后，小梁網(wǎng)細胞間TNTs 的形成減少［22］。HIV-1負性因子（negative factor，Nef）在HIV-1 的發(fā)病機制中起重要作用。在巨噬細胞中，Nef 通過調(diào)節(jié)Myo10 的表達增加細胞間TNTs 的數(shù)量，并且借助TNTs 將自身從巨噬細胞轉(zhuǎn)移到T 細胞［23］。

此外，一些機械外力、環(huán)境條件也會影響TNTs的形成和穩(wěn)定性。比如，淺低溫（33 ℃）作用下星形膠質(zhì)細胞與氧糖剝奪/復氧損傷神經(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)境的硬度會對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 信號通路抑制TNTs 的形成與功能的發(fā)揮［25］。TNTs 對光刺激敏感，PC-12細胞間TNTs 在光照刺激下部分發(fā)生斷裂［1］。

4 TNTs 的功能

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

4.2 TNTs 介導Ca2+的長距離傳遞細胞內(nèi)Ca2+濃度的瞬時增加會被放大為Ca2+波，大量Ca2+在細胞間傳遞時形成的Ca2+波即細胞間鈣波（intercellular calcium waves，ICW）［29］。毛細血管系統(tǒng)中兩個獨立的周細胞間形成的TNTs 被稱為周細胞間隧道納米管（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。在缺血情況下，視網(wǎng)膜中周細胞可以利用IPTNTs 傳遞ICW，進而控制局部神經(jīng)血管耦合，并且協(xié)調(diào)相鄰毛細血管之間的光誘發(fā)反應［30］。另外，人視網(wǎng)膜色素上皮細胞之間也能夠形成TNTs，并傳導鈣信號［31］。

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

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

TNTs 介導的細胞器轉(zhuǎn)移對機體健康也存在負面影響。在膀胱癌細胞系中觀察到，線粒體通過TNTs 自發(fā)地從T24 細胞向RT4 細胞進行單向移動，促進膀胱癌細胞對機體的侵襲［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，游走于細胞之間［39］。

4.4 TNTs 介導病毒、細菌的擴散TNTs 可以參與病毒、朊病毒、細菌在細胞間的運轉(zhuǎn)。病毒入侵機體后可以借助細胞間TNTs 從已感染細胞釋放進入健康細胞，一定程度上逃避機體免疫系統(tǒng)的攻擊，促進病毒對機體的侵襲。在樹突狀細胞（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，加速病毒在機體內(nèi)的復制與釋放，而在使用TNTs 抑制劑后，DC 和CD4+T 細胞的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 從被感染的巨噬細胞中轉(zhuǎn)移到B 細胞和T 細胞。此外，TNTs 還允許朊病毒（PrPSc）在已被感染的CAD 細胞與未成熟的CAD 細胞間轉(zhuǎn)移，加速朊病毒在機體的擴散。并且TNTs 參與了PrPSc 在中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元內(nèi)的擴散，還借助樹突狀細胞在神經(jīng)免疫系統(tǒng)中的作用在外周神經(jīng)系統(tǒng)的擴散朊病毒［11］。衣原體感染的供體細胞與未受感染的受體細胞間胞質(zhì)的定向交換也可由TNTs 介導［41］。

5 TNTs 的生理學意義

5.1 免疫TNTs 參與了免疫過程中抗原的轉(zhuǎn)運，核酸、抗原蛋白、主要組織相容復合物等抗原成分從供體細胞轉(zhuǎn)移到胸腺、過敏處、病變部位的受體細胞中，刺激機體免疫系統(tǒng)產(chǎn)生相應抗體［42］。在病毒蛋白Tax 的誘導下，M-sec 介導CD4+T 細胞間1 型人T 細胞白血病病毒的感染，很有可能是通過影響TNTs 的形成實現(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 細胞與壁滋養(yǎng)外胚層細胞由細長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)祖細胞的突觸還未形成時，在初級神經(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 實現(xiàn)相互間的信息交流［21］，提示TNTs 參與了早期發(fā)育進程。

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

此外，TNTs 也參與了某些損傷修復過程。M-sec、TNTs、線粒體共同構(gòu)成足細胞損傷調(diào)節(jié)機制，在M-sec 誘導下，足細胞間TNTs 通過轉(zhuǎn)移線粒體恢復部分足細胞損傷［18］。

6 展望

目前雖然已經(jīng)對TNTs 的形態(tài)結(jié)構(gòu)、形成機制、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，但對于TNTs 的研究還有較大的探索空間。比如在其他細胞上是否也存在TNTs，不同細胞間TNTs 的直徑、長度與壽命是否存在差異。另外，在骨架構(gòu)成成分中，肌動蛋白、微管等物質(zhì)并非全部同時存在，而是主要由肌動蛋白構(gòu)成，為什么會存在這樣的結(jié)構(gòu)差異。所以，我們需要大量的實驗研究探索各種細胞間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行。TNTs 形成相關(guān)的調(diào)節(jié)因子之間也存在復雜的關(guān)系網(wǎng)絡，期待未來能夠在此方面取得更多實質(zhì)性的研究結(jié)果。TNTs 的通訊與運輸功能是否與其形態(tài)結(jié)構(gòu)、形成機制等有關(guān)，以及TNTs 在諸多疾病發(fā)生發(fā)展中的作用，都是有待進一步探索的方面。同時，也希望TNTs 領域的諸多新發(fā)現(xiàn)能夠為相關(guān)疾病的治療提供更多的新思路、新方案、新靶點。