エクソサイトーシス

英語名：exocytosis　独: Exocytose　仏: exocytose　
同義語: 開口放出、分泌、開口分泌

細胞からの分泌現象は開口放出により起きることが、電子顕微鏡でシナプス小胞や分泌小胞が発見されたことから提唱された。その要素過程は膜融合という超微細構造変化にある点が難しい。しかし、現在では、様々の機能的測定や分子生物学的手法により、その解明が進んできた。

定義

細胞質の分泌小胞の膜が細胞膜に融合することにより、小胞内腔と細胞外液が交通し、分泌小胞の内容物が細胞外に放出される現象を開口放出(exocytosis)という。速い神経伝達物質放出はシナプス小胞の、神経ペプチドの分泌は大型有芯小胞の開口放出により起きる。開口放出に伴い小胞の膜や蛋白質が細胞膜に運ばれ、これを回収するため、エンドサイトーシスが引き続き起きることが多い。開口放出は概念的には調節性と構成的なものに分けられる。調節性の場合、細胞に対する刺激で開口放出が起きるが、その刺激は細胞内Ca2+やcAMPの濃度上昇を起こすことが多い。

多様性

開口放出の速さの多様性

調節性開口放出の場合には、刺激から開口放出が起きるまでの時間が1ミリ秒以下から100秒以上と10万倍以上に及ぶ。この開口放出時定数は開口放出を特徴づける大きな機能的指標であり（図１）、分子機構とも深く関連する。1-100ミリ秒で起きる速い開口放出の場合には、小胞と細胞膜が予め近接（ドック）している必要があり、更に、分泌関連蛋白がある程度会合していることが予想される ]] 開口放出の根本過程は細胞膜にあるt-SNARE分子と小胞にあるv-SNAREの会合による（図２）。神経の代表的SNARE分子には、v-SNAREとしてVAMP2、t-SNAREとしてsyntaxin1とSNAP25がある。ボツリヌス毒素や破傷風毒素はSNAREを特異的に切断する活性を持ち、切断が起きると速い神経伝達はほぼ完全に阻害される。神経や分泌細胞でもSNAREの他のサブタイプが発現しており、遅い開口放出に関係している。複合化したSNAREは安定で、細胞膜に残りcis-SNARE複合体を形成する。NSFがSNAPを補因子としてATP依存的にSNARE分子を脱解離させる。こうして、遊離SNARE分子は会合するエネルギーを持って準備している。

　　これらのSNARE分子の生理的な会合には、Munc18や Munc13の２つの分子が神経でも分泌細胞でも必須である。Munc18はsyntaxinと高親和性に結合し、syntaxinの分子シャペロンとして働く。この結合状態ではsyntaxinは他のSNAREと結合できない。一方、Munc13はsyntaxinとMunc18の強い結合を解き、SNARE複合体の形成を促進する因子と考えられる。この作用様式がMunc13のサブタイプ(Munc13-1,2,3,4)により異なり、これがシナプスや分泌細胞の応答特異性に影響している可能性がある。Munc18はSNARE複合体とも結合し、そのサブタイプ(Munc18-a,b,c)によりSNAREサブタイプ特異的に結合能が異なり、SNAREサブタイプ間の結合特異性を決める因子として働く。SNARE分子の会合を促進する因子はプライミング分子を呼ばれる。Munc13、 Munc18の他に、CAPS, snapin, complexinなどが知られている。これらの分子は刺激前に働いて準備状態を作ることも、後に働らき開口放出の誘発に関係することもある。

　　開口放出にカルシウム感受性を付与する分子（カルシウムセンサー）としては、synaptotagminやDoc2などのC2ドメインを持つ分子の関与が濃厚である。特に、超高速開口放出にはsynaptotagmin1,2が関係している。これらの分子は、脂質２重膜との間でCa2+依存的な結合をする。Ca2+依存的な結合が、膜融合の直接的な引き金となっている可能性が高い。これらのCa2+センサーはcomplexinを介してSNAREと相互作用する。

　　アクティブゾーンには更に幾つかの分子(Rim, ELKS/CAST, liprin, bassoon, piccolo, neurexinなど) が集積しており、この超分子的な集積がアクティブゾーンとしての微細構造を作っていると考えられる。中でも、Rimは膜電位依存性カルシウムチャネルの集積に関係し、チャネル開口部にできる高濃度カルシウム領域（カルシウムドメイン）による開口放出の高速調節に必須と考えられる。アクティブゾーンで見られる超高速開口放出には、SNARE分子が拡散的に会合する余裕はなく、既に近接してtrans-SNARE複合体を形成していると考えられる。一方、SNAREが既に会合しきっていたのでは、刺激後に膜融合に必要な力が説明されないので、SNAREは特有な不安定な複合体状態をとっており、そのために超分子構造が使われていると考えられる。

　　シナプスの超高速開口放出では、刺激後放出に至る時間が短いので、小胞はアクティブゾーン細胞膜にドックし、次に、プライミングという分子過程を経て、分泌準備完了状態となり、Ca2+刺激で膜融合が起きると考えるのが自然である。この分子的準備完了状態は正確にはどういうものか未解明である。この超高速開口放出が開口放出がモデルとして用いられ、普通の遅い開口放出も同一機転で起きることが想定されることが多い。しかしながら、100ミリ秒より遅い普通の開口放出については、SNAREが拡散的に会合する時間があり、遅い開口放出は、刺激後にSNAREの拡散的な会合が起きれば、最も自然に説明される。遅い開口放出の刺激前の状態としては、t-SNAREだけ複合化した状態（binary-SNARE状態）やSNARE分子が全部分離した状態（unitary-SNARE状態）、更には、cis-SNAREである状態が考えられている（図２）。この場合もCa2+依存性はsynaptotagminと細胞膜の結合によりSNARE分子が会合し複合体を形成しやすくない機構が関与し得る。更に、SNAREのリン酸化により、複合化が調節されている場合や、cAMPやCa2+刺激により、細胞質の小胞の運動性が増す。シナプス小胞の持続的分泌や自発的分泌では後者の機構の関与が考えられる。

関連項目

アクティブゾーン
神経伝達

参考文献

（執筆者：高橋倫子、河西春郎、担当編集委員：尾藤晴彦）