Exocytosis () is a form of active transport and bulk transport in which a cell transports molecules (e.g., neurotransmitters and proteins) out of the cell (exo- + cytosis). As an active transport mechanism, exocytosis requires the use of energy to transport material. Exocytosis and its counterpart, endocytosis, are used by all cells because most chemical substances important to them are large polar molecules that cannot pass through the hydrophobic portion of the cell membrane by passive means. Exocytosis is the process by which a large amount of molecules are released; thus it is a form of bulk transport. Exocytosis occurs via secretory portals at the cell plasma membrane called porosomes. Porosomes are permanent cup-shaped lipoprotein structure at the cell plasma membrane, where secretory vesicles transiently dock and fuse to release intra-vesicular contents from the cell.

In exocytosis, membrane-bound secretory vesicles are carried to the cell membrane, where they dock and fuse at porosomes and their contents (i.e., water-soluble molecules) are secreted into the extracellular environment. This secretion is possible because the vesicle transiently fuses with the plasma membrane. In the context of neurotransmission, neurotransmitters are typically released from synaptic vesicles into the synaptic cleft via exocytosis; however, neurotransmitters can also be released via reverse transport through membrane transport proteins.

Exocytosis is also a mechanism by which cells are able to insert membrane proteins (such as ion channels and cell surface receptors), lipids, and other components into the cell membrane. Vesicles containing these membrane components fully fuse with and become part of the outer cell membrane.

History
The term was proposed by De Duve in 1963.

Types
In eukaryotes there are two types of exocytosis:
1) Ca2+ triggered non-constitutive (i.e., regulated exocytosis) and
2) non-Ca2+ triggered constitutive (i.e., non-regulated).
Ca2+ triggered non-constitutive exocytosis requires an external signal, a specific sorting signal on the vesicles, a clathrin coat, as well as an increase in intracellular calcium. In multicellular organisms, this mechanism initiates many forms of intercellular communication such as synaptic transmission, hormone secretion by neuroendocrine cells, and immune cells secretion. In neurons and endocrine cells, the SNARE-proteins and SM-proteins catalyze the fusion by forming a complex that brings the two fusion membranes together. For instance, in synapses, the SNARE complex is formed by syntaxin-1 and SNAP25 at the plasma membrane and VAMP2 at the vesicle membrane. Exocytosis in neuronal chemical synapses is Ca2+ triggered and serves interneuronal signalling. The calcium sensors that triggers exocytosis might interact either with the SNARE complex or with the phospholipids of the fusing membranes. Synaptotagmin has been recognized as the major sensor for Ca2+ triggered exocytosis in animals. However, synaptotagmin proteins are absent in plants and unicellular eukaryotes. Other potential calcium sensors for exocytosis are EF-hand proteins (Ex: Calmodulin) and C2-domain (Ex: Ferlins, E-synaptotagmin, Doc2b) containing proteins. It is unclear how the differenta calcium sensors can cooperate together and mediate the calcium triggered exocytosis kinetic in a specific fashion.

Constitutive exocytosis is performed by all cells and serves the release of components of the extracellular matrix or delivery of newly synthesized membrane proteins that are incorporated in the plasma membrane after the fusion of the transport vesicle. There is no clear consensus about the machinery and molecular processes that drive the formation, budding, translocation and fusion of the post-Golgi vesicles to the plasma membrane. The fusion involves membrane tethering (recognition) and membrane fusion. It is still unclear if the machinery between the constitutive and regulated secretion is different. The machinery required for constitutive exocytosis hasn't been studying as much as the mechanism of regulated exocytosis. Two tethering complexes are associated with constitutive exocytosis in mammals, ELKS and Exocyst. ELKS is a large coiled-coil protein, also involved in synaptic exocytosis, marking the 'hotspots' fusion points of the secretory carriers fusion. Exocyst is an octameric protein complex. In mammals, exocyst components localize in both plasma membrane, and Golgi apparatus and the exocyst proteins are colocalized at the fusion point of the post-Golgi vesicles. The membrane fusion of the constitutive exocytosis, probably, is mediated by SNAP29 and Syntaxin19 at the plasma membrane and YKT6 or VAMP3 at the vesicle membrane.

Vesicular exocytosis in prokaryote gram negative bacteria is a third mechanism and latest finding in exocytosis. The periplasm  is pinched off as bacterial outer membrane vesicles (OMVs) for translocating microbial biochemical signals into eukaryotic host cells or other microbes located nearby, accomplishing control of the secreting microbe on its environment - including invasion of host, endotoxemia, competing with other microbes for nutrition, etc. This finding of membrane vesicle trafficking occurring at the host-pathogen interface also dispels the myth that exocytosis is purely a eukaryotic cell phenomenon.

Steps

Five steps are involved in exocytosis:

Vesicle trafficking
Certain vesicle-trafficking steps require the transportation of a vesicle over a moderately small distance. For example, vesicles that transport proteins from the Golgi apparatus to the cell surface area, will be likely to use motor proteins and a cytoskeletal track to get closer to their target. Before tethering would have been appropriate, many of the proteins used for the active transport would have been instead set for passive transport, because the Golgi apparatus does not require ATP to transport proteins. Both the actin- and the microtubule-base are implicated in these processes, along with several motor proteins. Once the vesicles reach their targets, they come into contact with tethering factors that can restrain them.

Vesicle tethering
It is useful to distinguish between the initial, loose tethering of vesicles to their objective from the more stable, packing interactions. Tethering involves links over distances of more than about half the diameter of a vesicle from a given membrane surface (>25 nm). Tethering interactions are likely to be involved in concentrating synaptic vesicles at the synapse.

Vesicle docking
Secretory vesicles transiently dock and fuse at the porosome at the cell plasma membrane, via a tight t-/v-SNARE ring complex.

Vesicle priming
In neuronal exocytosis, the term priming has been used to include all of the molecular rearrangements and ATP-dependent protein and lipid modifications that take place after initial docking of a synaptic vesicle but before exocytosis, such that the influx of calcium ions is all that is needed to trigger nearly instantaneous neurotransmitter release. In other cell types, whose secretion is constitutive (i.e. continuous, calcium ion independent, non-triggered) there is no priming.

Vesicle fusion

Transient vesicle fusion is driven by SNARE proteins, resulting in release of vesicle contents into the extracellular space (or in case of neurons in the synaptic cleft).

The merging of the donor and the acceptor membranes accomplishes three tasks:
The surface of the plasma membrane increases (by the surface of the fused vesicle). This is important for the regulation of cell size, e.g., during cell growth.
The substances within the vesicle are released into the exterior. These might be waste products or toxins, or signaling molecules like hormones or neurotransmitters during synaptic transmission.
Proteins embedded in the vesicle membrane are now part of the plasma membrane. The side of the protein that was facing the inside of the vesicle now faces the outside of the cell. This mechanism is important for the regulation of transmembrane  and transporters.

Vesicle retrieval
Retrieval of synaptic vesicles occurs by endocytosis. Most synaptic vesicles are recycled without a full fusion into the membrane (kiss-and-run fusion) via porosome. Non-constitutive exocytosis and subsequent endocytosis are highly energy expending processes, and thus, are dependent on mitochondria.

Examination of cells following secretion using electron microscopy demonstrate increased presence of partially empty vesicles following secretion. This suggested that during the secretory process, only a portion of the vesicular content is able to exit the cell. This could only be possible if the vesicle were to temporarily establish continuity with the cell plasma membrane at porosomes, expel a portion of its contents, then detach, reseal, and withdraw into the cytosol (endocytose). In this way, the secretory vesicle could be reused for subsequent rounds of exo-endocytosis, until completely empty of its contents.

See also
Endocytosis
Pinocytosis
Phagocytosis
Membrane nanotube
Viral shedding
Presynaptic active zone
Residual body
Degranulation

References

External links

 

Cellular processes
Neurophysiology
Membrane biology
세포외 배출(細胞外排出, )은 세포가 세포 밖으로(exo- + cytosis) 분자(예: 신경전달물질, 단백질)를 운반하는 능동 수송 및 대량 수송의 한 형태이다. 능동 수송 메커니즘으로서 세포외 배출은 물질을 수송하기 위해 에너지를 사용해야 한다. 세포외 배출과 이에 대응하는 세포내 섭취는 세포에 중요한 대부분의 화학 물질들이 수동적인 수단으로 세포막의 소수성 부분을 통과할 수 없는 크기가 큰 극성 분자들이기 때문에 모든 세포에서 사용된다. 세포외 배출은 많은 양의 분자들이 방출되는 과정이다. 따라서 대량 수송의 한 형태이다. 세포외 배출은 포로솜(porosome)이라고 불리는 세포막의 분비 포털을 통해 일어난다. 포로솜은 세포막에 있는 영구적인 컵 모양의 지질단백질 구조로 분비 소낭이 일시적으로 도킹 및 융합되어 세포로부터 소낭 내 내용물을 방출한다.

세포외 배출에서 분비 소낭은 세포막으로 운반되어 포로솜에 도킹 및 융합되어 그 내용물(즉, 수용성 분자)은 세포외 환경으로 분비된다. 이러한 분비는 소낭이 원형질막과 일시적으로 융합하기 때문에 가능하다. 흥분의 전달의 맥락에서 신경전달물질은 전형적으로 세포외 배출을 통해 시냅스 소포로부터 시냅스 틈으로 방출된다. 그러나 신경전달물질은 막수송단백질을 통한 역수송을 통해 방출될 수도 있다.

세포외 배출은 또한 세포가 막단백질(예: 이온 통로 및 세포 표면 수용체), 지질 및 기타 구성 요소들을 세포막으로 삽입할 수 있는 메커니즘이기도 하다. 이러한 막의 구성 요소들을 포함하고 있는 소포는 완전히 융합되어 외부 세포막의 일부가 된다.

역사 
세포외 배출이라는 용어는 1963년에 크리스티앙 드뒤브가 제안했다.

유형 
진핵생물에는 다음과 같은 두 가지 유형의 세포외 배출이 있다. 1) Ca2+ 유발 비구성적 세포외 배출(즉, 조절된 세포외 배출)과 2) 비-Ca2+ 유발 구성적 세포외 배출(즉, 조절되지 않는 세포외 배출)이 그것이다. Ca2+ 유발 비구성적 세포외 배출은 외부 신호, 소포에 대한 특정 분류 신호, 클라트린 코트 및 세포내 Ca2+의 증가를 필요로 한다. 뉴런의 화학 시냅스의 세포외 배출은 Ca2+에 의해 유발되고 뉴런 간에 신호를 전달한다. 비 Ca2+ 유발 구성적 세포외 배출은 모든 세포에서 수행되며 세포외 기질 성분의 방출 또는 운반 소포의 융합 후 원형질막에 통합된 새로 합성된 막단백질의 전달을 매개한다.

원핵생물인 그람음성세균의 소포성 세포외 배출은 세 번째 메커니즘이며 최근에 발견된 세포외 배출 방식이다. 주변세포질은 미생물의 생화학적 신호를 진핵 숙주 세포 또는 근처에 있는 다른 미생물로 전달하기 위한 세균성 외막 소포로 만들어져서 숙주의 침입, 내독소혈증, 영양분을 얻기 위해 다른 미생물들과의 경쟁 등의 환경에서 분비되는 미생물을 제어한다. 숙주-병원체 상호작용에서 일어나는 막 소포 수송의 이러한 발견은 또한 세포외 배출이 순전히 진핵세포에서만 일어나는 현상이 아님을 보여주었다.

단계 

세포외 배출은 다음과 같이 다섯 단계로 구성되어 있다.

소포 수송 
특정 소포의 수송 단계는 적당히 짧은 거리에 걸쳐 소포를 운반하는 단계이다. 예를 들어 골지체에서 세포 표면으로 단백질을 운반하는 소포는 운동 단백질과 세포 골격을 사용하여 목표 지점에 보다 가까워지게 된다. 테더링이 적절해지기 전에 골지체는 단백질을 운반하기 위해 ATP를 필요로 하지 않기 때문에 능동 수송에 사용되는 많은 단백질이 수동 수송으로 설정된다. 액틴 및 미세소관은 여러 운동 단백질들과 함께 이러한 과정에 관여한다. 소포가 목표 지점에 도달하면 이를 억제할 수 있는 테더링 인자와 접촉하게 된다.

소포 테더링 
보다 안정된 패킹 상호작용과 목표에 대한 소포의 초기의 느슨한 테더링을 구별하는 것이 필요하다. 테더링은 주어진 막 표면(>25 nm)에서 소포 직경의 약 절반 이상의 거리에 있는 링크를 포함한다. 테더링 상호작용은 시냅스에서 시냅스 소포를 집중시키는 데 관여할 가능성이 높다.

테더링된 소포는 또한 세포의 전사 과정에도 관여한다.

소포 도킹 
분비 소낭은 단단한 t-/v-SNARE 고리 복합체를 통해 세포막의 포로솜에 일시적으로 도킹하고 융합한다.

소포 프라이밍 
뉴런의 세포외 배출에서 프라이밍이라는 용어는 시냅스 소포의 초기 도킹 후 일어나는 모든 분자들의 재배열과 ATP 의존성 단백질 및 지질 변형을 포함하는 뜻으로 사용되었다. 그러나 세포외 배출이 일어나기 전에 칼슘 이온이 유입되어야 즉각적인 신경전달물질의 방출을 유발시킬 수 있다. 다른 세포 유형의 비-Ca2+ 유발 구성적 세포외 배출에서는 프라이밍 단계가 없다.

소포 융합 

일시적인 소포 융합은 SNARE 단백질에 의해 일어나며, 소포의 내용물이 세포외 공간(또는 시냅스 틈이 있는 뉴런의 경우)으로 방출된다.

공여체와 수용체 막의 융합은 다음과 같은 세 가지 작업으로 수행된다.
융합된 소포의 표면에 의해 원형질막의 표면이 증가한다. 이것은 세포 생장과 같은 세포 크기의 조절에서 중요하다.
소포 내 물질은 외부로 방출된다. 이들은 노폐물이나 독소 또는 흥분의 전달동안 호르몬이나 신경전달물질과 같은 신호 분자일 수 있다.
소포막에 내재된 단백질은 이제 원형질막의 일부이다. 소포의 내부를 향하고 있던 단백질은 이제 세포 외부를 향하게 된다. 이러한 메커니즘은 막관통 및 운반체의 조절에서 중요하다.

소포 회수 
시냅스 소포의 회수는 세포내 섭취에 의해 일어난다. 대부분의 시냅스 소포는 포로솜을 통해 막으로 완전한 융합없이(키스 앤 런 융합) 재활용된다. 비구성적 세포외 배출 및 이어지는 세포내 섭취는 에너지를 많이 소비하는 과정이기 때문에 미토콘드리아에 의존한다.

전자 현미경을 사용하여 분비 후 세포를 조사하면 분비 후에 부분적으로 비어 있는 소포의 존재가 증가함을 보여준다. 이것은 분비 과정 동안 소포의 내용물의 일부만 세포에서 나갈 수 있음을 시사한다. 이것은 소포가 일시적으로 포로솜에서 세포막과 연속성을 확립하고 그 내용물의 일부를 배출한 다음 분리, 재밀봉 및 세포질로 들어가는 경우에만 가능하다. 이러한 방식으로 분비 소낭은 그 내용물이 완전히 비워질 때까지 후속되는 세포외 배출, 세포내 섭취에 재사용될 수 있다.

같이 보기 
 세포내 섭취
 음세포작용
 식세포작용
 세포막 나노튜브
 바이러스 배출
 시냅스 이전 활성구역
 잔체
 탈과립
 식작용
 시냅스

각주

외부 링크 

 

세포 과정
신경생리학
막생물학