一個外泌體有多少個蛋白&核酸？
發(fā)布時(shí)間：2018-11-21浏覽次數：文章來源：艾科賽斯生物科技
這(zhè)學(xué)期，我選了一門課——應用物理生物學(xué)基本原理，教授的名字叫(jiào)做Dan Czajkowsky，他爲人友善，活潑風趣，講課時(shí)能(néng)用理論結合實際，從每一個學(xué)生的課題出發(fā)，帶領我們提問題、思考以及讨論。我在這(zhè)門課上受益良多，也想把這(zhè)位教授講的關于外泌體的分子含量以及作用效果的估算分享給大家。
首先，外泌體中有多少蛋白質、mRNA以及miRNA呢？
我們都(dōu)知道(dào)，外泌體的大小約爲30-150 nm，有的文章會(huì)說(shuō)是30-100 nm或者30-200 nm，這(zhè)裡(lǐ)我們就(jiù)取30-150 nm。考慮到磷脂雙分子層大概有5 nm厚，因此體腔的半徑大約爲10-70 nm。
如果外泌體被受體細胞吸收，其中的蛋白質會(huì)對(duì)受體細胞造成(chéng)多大的影響呢？換言之，外泌體中的蛋白質數量在受體細胞中的濃度有多大，是否可以達到起(qǐ)作用的濃度？
0.01-0.9 nM這(zhè)個濃度實在是太小了，之前Dan老師在課堂上舉的例子中，配體蛋白的濃度基本都(dōu)要達到1 nM以上，才能(néng)與受體蛋白結合發(fā)揮作用。有一個值Kd的定義爲當受體被結合的概率達到50%的時(shí)候配體的濃度，例如，在HIV的殼膜蛋白GP120結合免疫細胞膜蛋白CD4的實驗中，Kd爲1.46 nM。怎麼(me)計算Kd在這(zhè)裡(lǐ)我就(jiù)不贅述了，隻是舉個例子比較一下，說(shuō)明單個外泌體中的蛋白質并不能(néng)對(duì)受體細胞造成(chéng)大的影響。
那麼(me)，如果單個受體細胞吸收100個以上的外泌體，這(zhè)時(shí)的外泌體蛋白數量在受體細胞中將(jiāng)達到1-90 nM，這(zhè)個濃度就(jiù)足夠外泌體在受體細胞中發(fā)揮生物功能(néng)了。
我們也可以考慮一下不同大小的細胞，免疫細胞的體積是遠遠小于人體細胞的平均大小的，淋巴細胞大約爲，中性粒細胞大約爲，在這(zhè)個小了大概20-46倍的體積下，單個外泌體蛋白質在免疫細胞中的濃度將(jiāng)變爲0.2-18 nM或0.46-41.4 nM；如果考慮更小的血小闆，大約，體積小了1000倍，那麼(me)單個外泌體的蛋白質在血小闆細胞中就(jiù)可以達到10-900 nM的濃度！大的細胞，比如巨核細胞（骨髓），體積大約爲，那麼(me)100個外泌體的蛋白質在巨核細胞中也隻能(néng)達到0.0015-0.135 nM的濃度，大概10萬個外泌體才能(néng)在巨核細胞中發(fā)揮作用。在比如脂肪細胞，體積大約爲，那麼(me)100個外泌體的蛋白質在其中的濃度爲0.01-0.9 nM，脂肪細胞需要吸收大約1萬個外泌體才能(néng)發(fā)生改變。因此，我們可以得出結論，一定數量的外泌體對(duì)免疫細胞等體積小的細胞的影響要遠遠大于對(duì)脂肪細胞等大細胞的影響。
假設外泌體中包含的全部是mRNA。
人體内mRNA大約是200-2500 nt（nucleotides），以每個核苷酸大約0.34 nm來算，單條mRNA展開(kāi)的總長(cháng)度Ltotal大約是68-850 nm。Dan老師之前講過(guò)一個公式，DNA/RNA或蛋白質因爲熵增而折疊之後(hòu)的半徑，其中爲持久性長(cháng)度。利用這(zhè)個公式，以及RNA的持久性長(cháng)度約爲2 nm，可以計算得到單個mRNA分子的半徑約爲16.5-58.3 nm。上面(miàn)我們說(shuō)過(guò)外泌體體腔的半徑約爲10-70 nm，所以，單個外泌體大約包含1-2個mRNA，這(zhè)個數量是非常少的。考慮到外泌體的異質性以及腔體内還(hái)有其他分子存在，也許某些外泌體中甚至沒(méi)有mRNA。但是外泌體中一個RNA分子如果能(néng)在受體細胞中被翻譯35-3000次，它就(jiù)可以達到與外泌體中的蛋白質一樣的作用效果。
假設外泌體中包含的全部是microRNA。
microRNA（miRNA）是一種(zhǒng)長(cháng)度約爲22個核苷酸的非編碼單鏈RNA分子，根據上面(miàn)講過(guò)的公式，可以計算出miRNA的半徑約爲5.5 nm，體積爲
用外泌體的體積除以單個miRNA的體積，可以得出單個外泌體中大約含有6-2100個miRNA。由于miRNA可以靶向(xiàng)目的mRNA，誘導其降解，所以這(zhè)個轉錄後(hòu)調控的機制也可以放大單個miRNA分子的作用，也許miRNA分子可以調控受體細胞中一百倍數量的mRNA分子降解。因此單個外泌體中miRNA的數量與蛋白質相當，并且作用效果比蛋白質明顯，所以外泌體中的miRNA可以發(fā)揮更大的細胞間交流的作用。
接下來，外泌體的膜上有多少蛋白質呢？
我們可以估算一下一般細胞膜上單位面(miàn)積有多少膜蛋白。利用大腸杆菌的模型，我們可以知道(dào)大腸杆菌的膜表面(miàn)積約爲，總的膜蛋白約有個，細胞膜是雙層的，因此一個膜蛋白大約占
以經(jīng)典的真核細胞——成(chéng)纖維細胞（fibroblast）爲例，將(jiāng)其當作一個圓柱體，底面(miàn)半徑約爲25 μm，高約爲4 μm，則其細胞膜表面(miàn)積約爲4500，因此成(chéng)纖維細胞的細胞膜上大約有個膜蛋白。
除以12，單個外泌體的膜蛋白大約有100-5000個，占成(chéng)單個纖維細胞膜蛋白的0.00125-0.000025%。
最後(hòu)，假設外泌體中包含的蛋白質爲轉錄因子，并且可以進(jìn)入到受體細胞的細胞核中發(fā)揮作用，那麼(me)是否有足夠多的轉錄因子結合到它的結合位點發(fā)揮作用？
利用我們之前算出的一些數字，單個外泌體中有個35-3000個蛋白，在受體細胞中濃度爲0.01-0.9nM，以及Dan老師講的一個公式配體與受體結合的概率
，其中c爲配體的濃度，c0爲一個常數0.6M。以及一個特殊的轉錄因子與結合位點結合的能(néng)量爲
我們可以得出單個外泌體的轉錄因子與受體細胞的結合位點結合的概率約爲0.036-3.14%。如果單個受體細胞吸收了100個外泌體，那麼(me)外泌體的轉錄因子與受體細胞的結合位點結合的概率則上升爲3.47-76.42%。
最後(hòu)總結一下，無論是外泌體傳遞的是蛋白質還(hái)是RNA，單個外泌體發(fā)揮的作用都(dōu)微乎其微，隻有超過(guò)100個外泌體差不多同時(shí)被單個受體細胞吸收，才能(néng)有效發(fā)揮其生物功能(néng)。但是這(zhè)隻是理論情況，實際情況還(hái)是要以實驗結果爲準。
最後(hòu)的最後(hòu)，還(hái)是要感謝Dan老師，謝謝他教我從另一個定量生物學(xué)的角度思考生物過(guò)程，將(jiāng)理論與我的課題——外泌體聯系在一起(qǐ)，融會(huì)貫通，也讓我對(duì)外泌體的功能(néng)有了更深的理解。在這(zhè)裡(lǐ)，我將(jiāng)Dan老師教的内容分享給大家，希望對(duì)大家的研究有所幫助！
首先，外泌體中有多少蛋白質、mRNA以及miRNA呢？
我們都(dōu)知道(dào)，外泌體的大小約爲30-150 nm，有的文章會(huì)說(shuō)是30-100 nm或者30-200 nm，這(zhè)裡(lǐ)我們就(jiù)取30-150 nm。考慮到磷脂雙分子層大概有5 nm厚，因此體腔的半徑大約爲10-70 nm。
利用球的體積公式
外泌體的腔體體積約爲
假設外泌體中包含的全部是蛋白質。
生物體内蛋白質的平均大小是300 AA（aminoacids），平均直徑大約爲3-5 nm。
蛋白質的體積大約爲
因此單個外泌體内的蛋白質個數大約爲
生物體内蛋白質的平均大小是300 AA（aminoacids），平均直徑大約爲3-5 nm。
蛋白質的體積大約爲
因此單個外泌體内的蛋白質個數大約爲
如果外泌體被受體細胞吸收，其中的蛋白質會(huì)對(duì)受體細胞造成(chéng)多大的影響呢？換言之，外泌體中的蛋白質數量在受體細胞中的濃度有多大，是否可以達到起(qǐ)作用的濃度？
人體細胞的平均大小約爲
則外泌體中的蛋白質被受體細胞吸收後(hòu)，在受體細胞中的濃度爲
0.01-0.9 nM這(zhè)個濃度實在是太小了，之前Dan老師在課堂上舉的例子中，配體蛋白的濃度基本都(dōu)要達到1 nM以上，才能(néng)與受體蛋白結合發(fā)揮作用。有一個值Kd的定義爲當受體被結合的概率達到50%的時(shí)候配體的濃度，例如，在HIV的殼膜蛋白GP120結合免疫細胞膜蛋白CD4的實驗中，Kd爲1.46 nM。怎麼(me)計算Kd在這(zhè)裡(lǐ)我就(jiù)不贅述了，隻是舉個例子比較一下，說(shuō)明單個外泌體中的蛋白質并不能(néng)對(duì)受體細胞造成(chéng)大的影響。
那麼(me)，如果單個受體細胞吸收100個以上的外泌體，這(zhè)時(shí)的外泌體蛋白數量在受體細胞中將(jiāng)達到1-90 nM，這(zhè)個濃度就(jiù)足夠外泌體在受體細胞中發(fā)揮生物功能(néng)了。
我們也可以考慮一下不同大小的細胞，免疫細胞的體積是遠遠小于人體細胞的平均大小的，淋巴細胞大約爲，中性粒細胞大約爲，在這(zhè)個小了大概20-46倍的體積下，單個外泌體蛋白質在免疫細胞中的濃度將(jiāng)變爲0.2-18 nM或0.46-41.4 nM；如果考慮更小的血小闆，大約，體積小了1000倍，那麼(me)單個外泌體的蛋白質在血小闆細胞中就(jiù)可以達到10-900 nM的濃度！大的細胞，比如巨核細胞（骨髓），體積大約爲，那麼(me)100個外泌體的蛋白質在巨核細胞中也隻能(néng)達到0.0015-0.135 nM的濃度，大概10萬個外泌體才能(néng)在巨核細胞中發(fā)揮作用。在比如脂肪細胞，體積大約爲，那麼(me)100個外泌體的蛋白質在其中的濃度爲0.01-0.9 nM，脂肪細胞需要吸收大約1萬個外泌體才能(néng)發(fā)生改變。因此，我們可以得出結論，一定數量的外泌體對(duì)免疫細胞等體積小的細胞的影響要遠遠大于對(duì)脂肪細胞等大細胞的影響。
假設外泌體中包含的全部是mRNA。
人體内mRNA大約是200-2500 nt（nucleotides），以每個核苷酸大約0.34 nm來算，單條mRNA展開(kāi)的總長(cháng)度Ltotal大約是68-850 nm。Dan老師之前講過(guò)一個公式，DNA/RNA或蛋白質因爲熵增而折疊之後(hòu)的半徑，其中爲持久性長(cháng)度。利用這(zhè)個公式，以及RNA的持久性長(cháng)度約爲2 nm，可以計算得到單個mRNA分子的半徑約爲16.5-58.3 nm。上面(miàn)我們說(shuō)過(guò)外泌體體腔的半徑約爲10-70 nm，所以，單個外泌體大約包含1-2個mRNA，這(zhè)個數量是非常少的。考慮到外泌體的異質性以及腔體内還(hái)有其他分子存在，也許某些外泌體中甚至沒(méi)有mRNA。但是外泌體中一個RNA分子如果能(néng)在受體細胞中被翻譯35-3000次，它就(jiù)可以達到與外泌體中的蛋白質一樣的作用效果。
假設外泌體中包含的全部是microRNA。
microRNA（miRNA）是一種(zhǒng)長(cháng)度約爲22個核苷酸的非編碼單鏈RNA分子，根據上面(miàn)講過(guò)的公式，可以計算出miRNA的半徑約爲5.5 nm，體積爲
用外泌體的體積除以單個miRNA的體積，可以得出單個外泌體中大約含有6-2100個miRNA。由于miRNA可以靶向(xiàng)目的mRNA，誘導其降解，所以這(zhè)個轉錄後(hòu)調控的機制也可以放大單個miRNA分子的作用，也許miRNA分子可以調控受體細胞中一百倍數量的mRNA分子降解。因此單個外泌體中miRNA的數量與蛋白質相當，并且作用效果比蛋白質明顯，所以外泌體中的miRNA可以發(fā)揮更大的細胞間交流的作用。
接下來，外泌體的膜上有多少蛋白質呢？
我們可以估算一下一般細胞膜上單位面(miàn)積有多少膜蛋白。利用大腸杆菌的模型，我們可以知道(dào)大腸杆菌的膜表面(miàn)積約爲，總的膜蛋白約有個，細胞膜是雙層的，因此一個膜蛋白大約占
以經(jīng)典的真核細胞——成(chéng)纖維細胞（fibroblast）爲例，將(jiāng)其當作一個圓柱體，底面(miàn)半徑約爲25 μm，高約爲4 μm，則其細胞膜表面(miàn)積約爲4500，因此成(chéng)纖維細胞的細胞膜上大約有個膜蛋白。
外泌體的膜表面(miàn)積爲
除以12，單個外泌體的膜蛋白大約有100-5000個，占成(chéng)單個纖維細胞膜蛋白的0.00125-0.000025%。
最後(hòu)，假設外泌體中包含的蛋白質爲轉錄因子，并且可以進(jìn)入到受體細胞的細胞核中發(fā)揮作用，那麼(me)是否有足夠多的轉錄因子結合到它的結合位點發(fā)揮作用？
利用我們之前算出的一些數字，單個外泌體中有個35-3000個蛋白，在受體細胞中濃度爲0.01-0.9nM，以及Dan老師講的一個公式配體與受體結合的概率
，其中c爲配體的濃度，c0爲一個常數0.6M。以及一個特殊的轉錄因子與結合位點結合的能(néng)量爲
我們可以得出單個外泌體的轉錄因子與受體細胞的結合位點結合的概率約爲0.036-3.14%。如果單個受體細胞吸收了100個外泌體，那麼(me)外泌體的轉錄因子與受體細胞的結合位點結合的概率則上升爲3.47-76.42%。
最後(hòu)總結一下，無論是外泌體傳遞的是蛋白質還(hái)是RNA，單個外泌體發(fā)揮的作用都(dōu)微乎其微，隻有超過(guò)100個外泌體差不多同時(shí)被單個受體細胞吸收，才能(néng)有效發(fā)揮其生物功能(néng)。但是這(zhè)隻是理論情況，實際情況還(hái)是要以實驗結果爲準。
最後(hòu)的最後(hòu)，還(hái)是要感謝Dan老師，謝謝他教我從另一個定量生物學(xué)的角度思考生物過(guò)程，將(jiāng)理論與我的課題——外泌體聯系在一起(qǐ)，融會(huì)貫通，也讓我對(duì)外泌體的功能(néng)有了更深的理解。在這(zhè)裡(lǐ)，我將(jiāng)Dan老師教的内容分享給大家，希望對(duì)大家的研究有所幫助！
上一篇：腫瘤模型的應用和選擇