Secretory Pathway
개요
Secretory pathway는 ER에서 시작하여 Golgi apparatus를 거쳐 세포 표면 또는 다른 목적지로 단백질과 지질을 운반하는 경로이다. 이 pathway는 ER로 들어온 단백질들이 최종 목적지에 도달하는 주요 경로를 구성한다.
Secretory Pathway의 두 가지 유형
Constitutive Secretory Pathway
모든 세포에서 지속적으로 작동하는 기본 경로이다.
특징
- 특별한 신호 없이 자동으로 진행 (default pathway)
- Sorting signal이 없는 단백질들이 자동으로 이 경로를 따름
- 지속적인 membrane와 protein 전달
주요 기능
-
Plasma membrane 성분 공급
- Membrane protein의 지속적인 보충
- Lipid bilayer 유지
- Receptor와 transporter 전달
-
Extracellular matrix (ECM) 형성
- Collagen, fibronectin 등 ECM 단백질 분비
- Proteoglycan 분비
- Glycoprotein 전달
-
세포 성장과 membrane 확장
- 세포 분열 시 필요한 membrane 공급
- 세포 크기 증가 지원
운반 vesicle의 특징
- TGN에서 지속적으로 형성
- 불규칙한 모양의 tubular vesicle
- Plasma membrane에 도달 즉시 융합
Regulated Secretory Pathway
특수화된 분비 세포에만 존재하는 조절 가능한 경로이다.
특징
- Extracellular signal에 의해 조절됨
- Secretory vesicle에 cargo 저장
- Signal 도착 시까지 대기
- Ca²⁺를 주요 trigger로 사용
주요 cargo
-
Hormone
- Insulin (pancreatic β cell)
- Growth hormone (pituitary)
- Thyroid hormone
-
Neurotransmitter
- Synaptic vesicle의 small molecule
- Neuropeptide (dense-core secretory granule에서)
-
Digestive enzyme
- Pancreatic acinar cell의 enzyme
- Salivary gland secretion
- Stomach의 pepsinogen
Secretory Vesicle의 형성과 성숙
Figure 13-42: Secretory vesicle의 형성. (A) TGN에서 immature secretory vesicle이 형성되고, clathrin-coated vesicle을 통한 retrieval로 성숙한다. (B) Pancreatic β cell에서 proinsulin을 포함한 secretory vesicle의 성숙 과정.
형성 과정:
-
TGN에서 aggregation
- Secretory protein들이 TGN lumen에서 응집
- 낮은 pH와 높은 Ca²⁺ 환경이 응집 촉진(aggregation hypothesis. 가설임)
- Sorting receptor 가능성: 일부 단백질에서는 Chromogranins, Secretogranins 같은 granins 계열이 cargo sorting을 도와 aggregation scaffold 역할을 한다는 보고
- Electron-dense aggregate 형성
-
Immature vesicle 형성
- Aggregate를 둘러싼 membrane budding
- 초기에는 느슨하게 포장됨
- TGN의 dilated cisterna가 pinch off
-
Maturation process
- Clathrin-coated vesicle을 통한 membrane retrieval
- TGN 성분들을 다시 TGN으로 반환
- V-type ATPase에 의한 acidification 진행
- 농축: 200-400배 증가
-
Mature secretory vesicle
- 매우 응축된 core
- 조밀하게 packed된 cargo
- Plasma membrane 근처에서 대기
Signal-triggered Exocytosis
Triggering mechanism:
-
신호 수신
- Extracellular signal (hormone, neurotransmitter)
- Nerve impulse (action potential)
-
Ca²⁺ 증가
- Voltage-gated Ca²⁺ channel 개방
- Ca²⁺ influx
- Cytosolic Ca²⁺ 농도 급증
-
Vesicle fusion
- Ca²⁺가 synaptotagmin에 결합
- SNARE complex 활성화
- Membrane fusion 개시
-
Cargo 방출
- Vesicle content의 extracellular space 방출
- Vesicle membrane의 plasma membrane 통합
*Figure 13-43: Secretory vesicle의 exocytosis. Pancreatic β cell에서 insulin이 방출되는 모습
Cargo Selection Mechanism
Constitutive Pathway
- Default mechanism: 특별한 signal 불필요
- ER retention signal이나 다른 sorting signal이 없으면 자동으로 이 경로
- 비특이적 포장
Regulated Pathway
- Aggregation signal: Secretory protein의 특정 구조적 특징
- Sorting receptor: Aggregate를 인식하는 membrane receptor
- Common signal: 다른 세포에서도 인식되는 공통 신호
Membrane Trafficking의 균형
Exocytosis-Endocytosis Cycle
Constitutive pathway에서:
- 지속적인 membrane 추가
- Endocytosis를 통한 membrane 회수
- 세포 크기 일정 유지
Regulated pathway에서:
- 대량의 membrane가 일시적으로 추가
- 빠른 endocytosis로 균형 회복
- Secretory vesicle 성분의 재활용
예시: Pancreatic acinar cell
- 정상 apical plasma membrane: 30 μm²
- 분비 시 추가되는 vesicle membrane: 900 μm²
- 약 30배의 membrane 증가
- 빠른 endocytosis로 회복
극성 세포에서의 Secretory Pathway
Epithelial Cell의 Polarized Secretion
Figure 13-49: 극성 상피세포에서의 protein sorting. Direct pathway와 indirect pathway를 통해 apical과 basolateral domain에 선택적으로 전달된다.
Apical Domain으로의 분비
- Digestive enzyme
- Mucus
- GPI-anchored protein
- Glycosphingolipid-rich membrane
Basolateral Domain으로의 분비
- Basal lamina 성분
- Growth factor
- Specific sorting signal 보유 단백질
Sorting Mechanism
- TGN에서 직접 분류
- Lipid raft를 통한 apical delivery
- Basolateral sorting signal 인식
- Transcytosis를 통한 재분배
요약
Secretory pathway는 세포의 기본적인 분비 기능을 담당하는 constitutive pathway와 신호에 의해 조절되는 regulated pathway로 구분된다. Constitutive pathway는 모든 세포에서 지속적으로 membrane와 ECM 성분을 공급하며, regulated pathway는 특수화된 세포에서 저장된 cargo를 신호에 반응하여 방출한다. 두 경로 모두 TGN에서 시작하여 정밀한 sorting mechanism을 통해 적절한 cargo를 선택하고 포장한다.