Noncoding regulatory microRNAs (miRNAs) of cellular and viral origin control gene expression by repressing the translation of mRNAs into protein. Interestingly, miRNAs are secreted actively through small vesicles called "exosomes" that protect them from degradation by RNases, suggesting that these miRNAs may function outside the cell in which they were produced. Here we demonstrate that miRNAs secreted by EBV-infected cells are transferred to and act in uninfected recipient cells. Using a quantitative RT-PCR approach, we demonstrate that mature EBV-encoded miRNAs are secreted by EBV-infected B cells through exosomes. These EBV-miRNAs are functional because internalization of exosomes by MoDC results in a dose-dependent, miRNA-mediated repression of confirmed EBV target genes, including CXCL11/ITAC, an immunoregulatory gene down-regulated in primary EBV-associated lymphomas. We demonstrate that throughout coculture of EBV-infected B cells EBV-miRNAs accumulate in noninfected neighboring MoDC and show that this accumulation is mediated by transfer of exosomes. Thus, the exogenous EBV-miRNAs transferred through exosomes are delivered to subcellular sites of gene repression in recipient cells. Finally, we show in peripheral blood mononuclear cells from patients with increased EBV load that, although EBV DNA is restricted to the circulating B-cell population, EBV BART miRNAs are present in both B-cell and non-B-cell fractions, suggestive of miRNA transfer. Taken together our findings are consistent with miRNA-mediated gene silencing as a potential mechanism of intercellular communication between cells of the immune system that may be exploited by the persistent human gamma-herpesvirus EBV.

Most cancer cells release heterogeneous populations of extracellular vesicles (EVs) containing proteins, lipids, and nucleic acids. In vitro experiments showed that EV uptake can lead to transfer of functional mRNA and altered cellular behavior. However, similar in vivo experiments remain challenging because cells that take up EVs cannot be discriminated from non-EV-receiving cells. Here, we used the Cre-LoxP system to directly identify tumor cells that take up EVs in vivo. We show that EVs released by malignant tumor cells are taken up by less malignant tumor cells located within the same and within distant tumors and that these EVs carry mRNAs involved in migration and metastasis. By intravital imaging, we show that the less malignant tumor cells that take up EVs display enhanced migratory behavior and metastatic capacity. We postulate that tumor cells locally and systemically share molecules carried by EVs in vivo and that this affects cellular behavior.

Administration of mesenchymal stem cells (MSCs) represents a promising treatment option for patients suffering from immunological and degenerative disorders. Accumulating evidence indicates that the healing effects of MSCs are mainly related to unique paracrine properties, opening opportunities for secretome-based therapies. Apart from soluble factors, MSCs release functional small RNAs via extracellular vesicles (EVs) that seem to convey essential features of MSCs. Here we set out to characterize the full small RNAome of MSC-produced exosomes. We set up a protocol for isolating exosomes released by early passage adipose- (ASC) and bone marrow-MSCs (BMSC) and characterized them via electron microscopy, protein analysis and small RNA-sequencing. We developed a bioinformatics pipeline to define the exosome-enclosed RNA species and performed the first complete small RNA characterization of BMSCs and ASCs and their corresponding exosomes in biological replicates. Our analysis revealed that primary ASCs and BMSCs have highly similar small RNA expression profiles dominated by miRNAs and snoRNAs (together 64-71 %), of which 150–200 miRNAs are present at physiological levels. In contrast, the miRNA pool in MSC exosomes is only 2-5 % of the total small RNAome and is dominated by a minor subset of miRNAs. Nevertheless, the miRNAs in exosomes do not merely reflect the cellular content and a defined set of miRNAs are overrepresented in exosomes compared to the cell of origin. Moreover, multiple highly expressed miRNAs are precluded from exosomal sorting, consistent with the notion that these miRNAs are involved in functional repression of RNA targets. While ASC and BMSC exosomes are similar in RNA class distribution and composition, we observed striking differences in the sorting of evolutionary conserved tRNA species that seems associated with the differentiation status of MSCs, as defined by Sox2, POU5F1A/B and Nanog expression. We demonstrate that primary MSCs release small RNAs via exosomes, which are increasingly implicated in intercellular communications. tRNAs species, and in particular tRNA halves, are preferentially released and their specific sorting into exosomes is related to MSC tissue origin and stemness. These findings may help to understand how MSCs impact neighboring or distant cells with possible consequences for their therapeutic usage.

The release of RNA-containing extracellular vesicles (EV) into the extracellular milieu has been demonstrated in a multitude of different in vitro cell systems and in a variety of body fluids. RNA-containing EV are in the limelight for their capacity to communicate genetically encoded messages to other cells, their suitability as candidate biomarkers for diseases, and their use as therapeutic agents. Although EV-RNA has attracted enormous interest from basic researchers, clinicians, and industry, we currently have limited knowledge on which mechanisms drive and regulate RNA incorporation into EV and on how RNA-encoded messages affect signalling processes in EV-targeted cells. Moreover, EV-RNA research faces various technical challenges, such as standardisation of EV isolation methods, optimisation of methodologies to isolate and characterise minute quantities of RNA found in EV, and development of approaches to demonstrate functional transfer of EV-RNA in vivo. These topics were discussed at the 2015 EV-RNA workshop of the International Society for Extracellular Vesicles. This position paper was written by the participants of the workshop not only to give an overview of the current state of knowledge in the field, but also to clarify that our incomplete knowledge - of the nature of EV(-RNA)s and of how to effectively and reliably study them - currently prohibits the implementation of gold standards in EV-RNA research. In addition, this paper creates awareness of possibilities and limitations of currently used strategies to investigate EV-RNA and calls for caution in interpretation of the obtained data.

Functional biomolecules, including small noncoding RNAs (ncRNAs), are released and transmitted between mammalian cells via extracellular vesicles (EVs), including endosome-derived exosomes. The small RNA composition in cells differs from exosomes, but underlying mechanisms have not been established. We generated small RNA profiles by RNA sequencing (RNA-seq) from a panel of human B cells and their secreted exosomes. A comprehensive bioinformatics and statistical analysis revealed nonrandomly distributed subsets of microRNA (miRNA) species between B cells and exosomes. Unexpectedly, 3′ end adenylated miRNAs are relatively enriched in cells, whereas 3′ end uridylated isoforms appear overrepresented in exosomes, as validated in naturally occurring EVs isolated from human urine samples. Collectively, our findings suggest that posttranscriptional modifications, notably 3′ end adenylation and uridylation, exert opposing effects that may contribute, at least in part, to direct ncRNA sorting into EVs.

Mesenchymal stem cells (MSCs) are adult multipotent cells that give rise to various cell types of the mesodermal germ layer. MSCs are of great interest in the field of regenerative medicine and cancer therapy because of their unique ability to home to damaged and cancerous tissue. These cells also regulate the immune response and contribute to reparative processes in different pathological conditions, including musculoskeletal and cardiovascular diseases. The use of MSCs for tissue repair was initially based on the hypothesis that these cells home to and differentiate within the injured tissue into specialized cells. However, it now appears that only a small proportion of transplanted MSCs actually integrate and survive in host tissues. Thus, the predominant mechanism by which MSCs participate in tissue repair seems to be related to their paracrine activity. Indeed, MSCs provide the microenvironment with a multitude of trophic and survival signals including growth factors and cytokines. Recent discoveries suggest that lipid microvesicles released by MSCs may also be important in the physiological function of these cells. Over the past few years the biological relevance of micro- and nano-vesicles released by cells in intercellular communication has been established. Alongside the conventional mediators of cell secretome, these sophisticated nanovesicles transfer proteins, lipids and, most importantly, various forms of RNAs to neighboring cells, thereby mediating a variety of biological responses. The physiological role of MSC-derived vesicles (MSC-MVs) is currently not well understood. Nevertheless, encouraging results indicate that MSC-MVs have similar protective and reparative properties as their cellular counterparts in tissue repair and possibly anti-cancer therapy. Thus, MSC-MVs represent a promising opportunity to develop novel cell-free therapy approaches that might overcome the obstacles and risks associated with the use of native or engineered stem cells.

Signaling between endothelial cells, endothelial progenitor cells, and stromal cells is crucial for the establishment and maintenance of vascular integrity and involves exosomes, among other signaling pathways. Exosomes are important mediators of intercellular communication in immune signaling, tumor survival, stress responses, and angiogenesis. The ability of exosomes to incorporate and transfer messenger RNAs (mRNAs) encoding for "acquired" proteins or micro RNAs (miRNAs) repressing "resident" mRNA translation suggests that they can influence the physiological behavior of recipient cells. We demonstrate that miR-214, an miRNA that controls endothelial cell function and angiogenesis, plays a dominant role in exosome-mediated signaling between endothelial cells. Endothelial cell-derived exosomes stimulated migration and angiogenesis in recipient cells, whereas exosomes from miR-214-depleted endothelial cells failed to stimulate these processes. Exosomes containing miR-214 repressed the expression of ataxia telangiectasia mutated in recipient cells, thereby preventing senescence and allowing blood vessel formation. Concordantly, specific reduction of miR-214 content in exosome-producing endothelial cells abolishes the angiogenesis stimulatory function of the resulting exosomes. Collectively, our data indicate that endothelial cells release miR-214-containing exosomes to stimulate angiogenesis through the silencing of ataxia telangiectasia mutated in neighboring target cells.

Abstract Diagnostic platforms providing biomarkers that are highly predictive for diagnosing, monitoring, and stratifying cancer patients are key instruments in the development of personalized medicine. We demonstrate that tumor cells transfer (mutant) RNA into blood platelets in vitro and in vivo, and show that blood platelets isolated from glioma and prostate cancer patients contain the cancer-associated RNA biomarkers EGFRvIII and PCA3, respectively. In addition, gene-expression profiling revealed a distinct RNA signature in platelets from glioma patients compared with normal control subjects. Because platelets are easily accessible and isolated, they may form an attractive platform for the companion diagnostics of cancer.

Exosomes are specialized membranous nano-sized vesicles derived from endocytic compartments that are released by many cell types. Microvesicles are distinctive from exosomes in that they are produced by shedding of the plasmamembrane and usually larger in size (>1 µm). Exosome biogenesis involves the tightly controlled process of inward budding from the limiting membrane of multivesicular bodies (MVBs). This results in numerous intraluminal vesicles in the lumen of MVBs that contain distinct protein repertoires. It has been suggested that microvesicles shed by certain tumor cells hold functional messenger RNA (mRNA) that may promote tumor progression. We discovered that purified exosomes contain functional microRNAs (miRNAs) and small RNA, but detected little mRNA. Although a clear and decisive distinction between microvesicles and exosomes cannot be made and different subsets of exosomes exist, we speculate that exosomes are specialized in carrying small RNA including the class 22-25 nucleotide regulatory miRNAs. To demonstrate this we developed a co-culture system and found that exosomes are continuously secreted and transferred from Epstein Barr virus (EBV)-infected cells to uninfected neighboring cells. Throughout exosome transfer, the exogenous EBV-encoded miRNAs were delivered to subcellular sites of miRNA-mediated gene repression. Additionally, we found evidence that mature miRNAs are transferred between circulating cells in humans, since we detected EBV-miRNAs in non-infected cells in the peripheral blood of patients that include monocytes and T cells. In this addendum we discuss these findings in the context of recently published papers that advanced our current knowledge of exosome physiology, (mi)RNA function and intercellular RNA transfer. Based on this information we propose that an intercellular (miRNA-based) mode of signal transmission may be well suited in controlling space-confined processes such as the initiation of immune responses in the secondary (peripheral) lymphoid tissues or in a tumor microenvironment. Deciphering the molecular mechanism(s) that control small RNA loading into exosomes and transfer to recipient cells in vitro will provide new evidence for the physiological relevance of vesicle-mediated intercellular communication in vivo.

Exosomes are small endosome-derived extracellular vesicles implicated in cell–cell communication and are secreted by living cells when multivesicular bodies (MVBs) fuse with the plasma membrane (PM). Current techniques to study exosome physiology are based on isolation procedures after secretion, precluding direct and dynamic insight into the mechanics of exosome biogenesis and the regulation of their release. In this study, we propose real-time visualization of MVB–PM fusion to overcome these limitations. We designed tetraspanin-based pH-sensitive optical reporters that detect MVB–PM fusion using live total internal reflection fluorescence and dynamic correlative light–electron microscopy. Quantitative analysis demonstrates that MVB–PM fusion frequency is reduced by depleting the target membrane SNAREs SNAP23 and syntaxin-4 but also can be induced in single cells by stimulation of the histamine H1 receptor (H1HR). Interestingly, activation of H1R1 in HeLa cells increases Ser110 phosphorylation of SNAP23, promoting MVB–PM fusion and the release of CD63-enriched exosomes. Using this single-cell resolution approach, we highlight the modulatory dynamics of MVB exocytosis that will help to increase our understanding of exosome physiology and identify druggable targets in exosome-associated pathologies.