세포외배출

세포외배출에 관한 현상과 용어는 벨기에 세포생물학자 크리스티앙 드 듀베 (Christian de Duve)에 의해서 1963년에 최초로 제안하였다. 세포가 에너지를 사용하여 능동적으로 세포 내부의 물질을 세포 밖으로 배출하는 물질 수송의 한 형태이다. 세포외배출에서는 분비형 소낭이 세포막으로 운반된 후에 세포막과 융합하여 내용물을 세포의 외부로 분비된다. 예를 들어, 신경세포의 시냅스에서 시냅스전 말단부분의 세포질에 있는 소낭은 신경전도물질을 가지고 있다가 모종의 신호가 주어지면 시냅스전 세포막과 융합하여 신경전도물질을 시냅스 틈으로 방출한다 (그림 1). 이 밖에도 세포외배출은 이온 채널, 세포막수용체, 지질 등을 비롯한 여러 가지 막 구성 성분을 세포막에 삽입 하는 과정에도 관여한다. 동시에 세포외배출에 사용되는 소낭의 막은 세포막과 융합되어 외부 세포막의 일부가 되기도 한다.

그림 1. 시냅스 전달 과정. 뉴런에서의 신경 전달 물질의 세포외 방출 과정을 표현했다. A) 시냅스이전(Presynaptic) 뉴런. B) 시냅스이후 (Postsynaptic) 뉴런. 1) 미토콘드리아, 2) 신경전달물질을 함유한 시냅스 소낭, 3) 신경전달물질 수용체 (해당 신경전달물질을 생산한 뉴런이 가지고 있으므로 autoreceptor라고 불림), 4) 시냅스 간극 (synaptic cleft), 5) 신경전달물질 수용체, 6) 칼슘 이온 통로, 7) 세포막과 융합하여 신경전달물질을 방출하는 소낭, 8) 신경전달물질 재장전 (re-uptake) 펌프. ()

목차

진핵 생물의 세포외배출에는 2가지 유형이 있다. ‘Ca²⁺ 의존형’ 과 ‘Ca²⁺ 독립형’이 있다. Ca²⁺ 의존형 세포외배출에서는 외부 신호나 소낭-특이적인 신호, 클라스린 피복과 세포내에서 일정한 농도로 증가된 칼슘 등이 필요하다. 예를 들어 뉴런의 화학적 시냅스 과정에서 일어나는 세포외배출은 Ca²⁺에 의해서 유발된다. Ca²⁺ 독립형 세포외배출은 거의 모든 세포에서 상시적으로 일어난다. 예를 들어 세포외피질의 필수 구성 단백질인 콜라겐 등을 세포 밖으로 방출하기 위하여 세포질에서 새로 합성된 이들 단백질을 수송하는데 사용된다. 필수적인 세포막단백질을 수송하여 세포막에 삽입하는 것도 세포외배출의 역할이다. 세포외배출은 원핵생물 그람 음성 박테리아에서도 액포형 세포외배출(vascular exocytosis)의 형태로 진행된다. 미생물이 모종의 생화학적 신호를 진핵생물 숙주세포나 주변에 있는 다른 미생물에게 전달한다. 이와 같이 숙주와 박테리아 사이에서 일어나는 소낭의 수송은 세포외배출이 진핵 세포에서만 일어난다는 통념을 깨트린 것이다.

소낭-수송 과정은 거리를 두고 떨어져 있는 막 소기관 사이에서 물질의 수송을 위해서 일어난다. 세포외배출은 소낭수송, 소낭계류, 소낭 정박, 소낭 프라이밍, 소낭 융합으로 이루어지는 5 단계를 거쳐서 완성되는 과정이다 (그림 2).

(그림 2) 세포외배출은 소낭수송, 소낭계류, 소낭 정박, 소낭 프라이밍, 소낭 융합으로 이루어지는 5 단계로 완성된다. (출처: 한국분자·세포생물학회)

세포 내에서 생성되는 소낭의 위치는 여러 곳에 있으나, 조소포체에서 합성된 단백질이 골지체를 거쳐서 단백질의 종류 별로 포장된 소낭이 만들어진다. 이들 소낭의 최종 목적지는 크게 나누어 리소좀, 세포막, 그리고 세포 밖이다. 따라서 소낭 수송은 소포체와 골지체 사이, 골지엽 사이, 골지체와 리소좀 사이, 골지체와 세포막 사이 등과 같이 여러 곳에서 진행된다. 이들 소낭을 구성하는 단백질은 단백질 종류 별로 구분하여 소낭을 형성하는 역할을 한다. 예를 들어 소포체에서 골지체 방향으로 이동하는 소낭은 COPII라는 피복 단백질에 의해서 생성되며 골지체에서 소포체 방향으로 이동하는 소낭은 COPI 피복단백질에 의해서 생성된다. 골지체에서 리소좀 또는 세포막으로 이동하는 소낭은 클라트린 피복 단백질에 의해서 만들어진다. 클라트린은 세포내섭취 과정에서 형성되는 소낭도 만든다. 모터단백질은 특정한 소낭과 결합하여 ATP 가수분해를 통해서 생성된 에너지를 사용하여 세포골격을 이루는 액틴 필라멘트나 미세소관 위로 이동함으로써 최종 목적지인 세포막에 도달하게한다. 

목적지 부근에 도달한 소낭은 여러 단계를 순서대로 진행하여 세포막과 융합하는데 그 첫 단계를 소낭 계류라고 한다. 이 세포막 표면에서 멀지 않은 곳 (25 nm 이내)에 있을 때 소낭 계류가 이루어진다. 소낭 계류는 소낭의 막 표면에 있는 Rab 단백질이 최종 목적지의 세포막에 있는 계류인자 단백질과 결합함으로써 이루어진다. Rab 아형은 이제까지 60 여개 이상이 알려져 있으며 이들은 특정 소낭을 특정한 세포막에 연결하는 역할을 하는 것으로 추측된다. 뉴런의 시냅스에서 시냅스 소낭이 집적화되는 과정에도 소낭 계류가 관여한다.

소낭 정박은 소낭의 막단백질 v-SNARE와 최종목적지 막단백질 t-SNARE 간에 이루어지는 상호작용으로 진행된다. v-SNARE와 t-SNARE의 세포질 도메인의 단백질 구조는 코일-코일 구조를 가지고 있는데, 이 세포질 도메인 끼리 서로 접합하면 소낭의 막과 최종 목적지 막 사이의 거리가 좁혀져서 막과 막이 맞닿게 된다.  

소낭의 세포외배출이 일어나기 전에 시냅스 소낭이 세포 막 표면에 정박한 초기 과정에서 일어나는 칼슘 이온의 순간적인 유입으로 인해서 유도되는 분자의 재배열, ATP-의존성 단백질 그리고 지질 분자의 모식 등을 총칭하여 소낭 프라이밍이라고 한다. 특정한 신호에 관계없이 상시적으로 일어나는 세포외분비에는 소낭 프라이밍이 일어나지 않는다. 

소포 융합은 SNARE 단백질 복합체에 의해서 유도된 소낭 정박의 결과로 여겨지며, 이 과정을 통해서 소낭의 내용물이 소낭에서 밖으로 방출한다.

시냅스 소낭의 회수는 세포내섭취에 의해서 이루어진다. 일부 시냅스 소낭은 막에 완전히 융합되지 않은 채 재순환되는 반면, 일부는 클라트린 피복 단백질에 의해서 형성된 소낭을 통해서 막으로 회수된다. 분비가 왕성하게 일어나는 세포에서는, 소낭의 내용물이 일부 남아 있는 소낭들이 상당히 많이 있다. 이는 소낭이 일시적으로 세포막의 일부로 있으면서 내용물의 일부를 배출하고 분리되고 밀봉되어 세포질로 복귀하는 것으로 추측된다. 이와 같은 방식으로, 분비 소낭은 내용물을 완전하게 배출할 때까지 반복되는 세포외배출과 세포내섭취에 사용되는 것으로 추정된다. 

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The Cell; A Molecular Approach (Cooper and Hausman, 7판, Sinauer), 필수세포생물학 (Alberts, 5판, 교보문고), Lewin's CELLS (Cassimeris, 3판, Jones and Bartlett).