全 文 ：第23卷 第11期
2011年11月
Vol. 23, No. 11
Nov., 2011
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
文章编号：1004-0374(2011)11-1057-06
调控型分泌的分子机制研究进展
杨　松1，徐　涛1,2*
(1 华中科技大学生命科学与技术学院，武汉 430074；2 中国科学院生物物理研究所，北京 100101)
摘　要：调控型分泌途径对于维持内分泌细胞和神经元的功能非常重要。内分泌和神经系统的细胞将神经
递质、神经肽和激素等包装在分泌囊泡内，然后在受到刺激时将这些物质释放到细胞外。调控型分泌囊泡，
从生成、转运到与细胞膜的融合都需要许多蛋白质的参与和调节。简要总结参与这些过程的一些重要蛋白
质的研究进展。
关键词：分泌；囊泡；生成；转运；激素；神经肽
中图分类号：Q2-33; Q813 文献标志码：A
Progress in studying the molecular mechanism of regulated exocytosis
YANG Song1, XU Tao1,2*
(1 College of Life Science and Technology, Huazhong University of Science and Technology ,Wuhan 430074, China;
2 Institute of Biophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China)
Abstract: Regulated secretory pathway is important for the function of endocrine cells and neurons. Cells in the
endocrine and nervous systems package neurotransmitters, neuropeptides and hormones into secretory vesicles for
release in a regulated manner upon stimulation. The biogenesis, translocation and fusion of regulated secretory
vesicles require the regulation and participation of many proteins. In this article, research progress of some key
factors has been reviewed.
Key words: secretion; vesicle; biogenesis; translocation; hormones; neuropeptides
收稿日期：2011-07-11
基金项目：国家重点基础研究发展计划(“973”项目)
(2010CB833701)
*通信作者：E-mail: xutao@ibp.ac.cn
内分泌和神经系统的细胞将激素、神经肽
和特异的神经生长因子包装在分泌囊泡 (secretory
vesicle) 内，然后在受到刺激时将这些物质释放
到细胞外。这种分泌方式称为调控型分泌途径
(regulated secretory pathway)。它对于调节内分泌功
能、神经传递和神经元可塑性是很重要的。在细胞
胞体内，囊泡从反式高尔基网状系统 (trans-Golgi
network，TGN)生成 (biogenesis)后，通过以微管为
基础的转运系统被运输到细胞膜附近。接着，囊泡
被转移到肌动蛋白纤维皮层 (actin filaments cortex)。
滞留在肌动蛋白纤维的囊泡库可作为贮存库，而栓
系 (tethering)到细胞膜的囊泡库里的一部分囊泡，
经过锚定 (docking)和启动 (priming)，从而形成可
释放囊泡库 (readily releasable pool，RRP)。在受到
刺激或细胞兴奋时，可释放囊泡库里的囊泡立即与
细胞膜融合，将囊泡的内容物释放到细胞外；而贮
存库的囊泡，则在可释放囊泡库通过胞吐作用排空
后，补充到细胞膜附近。
除了调控型分泌途径，(神经 )内分泌细胞与
其他细胞一样，也有组成型分泌途径，组成型途径
分泌的蛋白质是不依赖于刺激的。组成型分泌囊泡
在 TGN合成后不断地被运输到细胞膜附近，然后
与细胞膜融合。它们或是直接从 TGN运输到细胞
膜，或是通过中间的内涵体被运输到细胞膜。在 (神
经 )内分泌细胞中，组成型分泌为细胞的存活、分
化和生长提供受体及一些分泌蛋白。
调控型分泌囊泡根据其大小及内容物的不同又
生命科学 第23卷1058
分为两类：突触囊泡 (synaptic vesicle，SV)和致密
核心大囊泡 (dense-core vesicle，DCV)。典型的神
经递质贮存在突触囊泡内，例如谷氨酸、促肾上腺
皮质激素和甘氨酸等；而多肽类神经递质、胰岛素
和激素等则贮存在 DCV内。
本文简要总结了调控型分泌的 DCV从生成、成
熟到被运输至细胞膜附近并释放的一系列过程相关
的研究进展。
1　DCV的生成
DCV的生成包括不成熟的分泌囊泡从 TGN出
芽 (budding)，以及之后经历一系列的成熟步骤变
成成熟的 DCV。成熟过程主要是新形成的 DCV酸
化，以激活加工分泌蛋白所必需的激素原转换酶
(prohormone convertases, PCs)和羧肽酶 (carboxype-
ptidases)等，然后去除一些组成型分泌蛋白和溶酶
体酶，去除网格蛋白 (clathrin)包被和其他包被蛋白，
最后囊泡的内容物浓缩，形成成熟的囊泡。
调控型分泌蛋白，如肽类激素的前体、加工
酶和粒蛋白家族 (Granins)等，在 TGN的微酸性
且高钙的区域聚集。这个聚集过程不包括组成型
分泌蛋白。然后，聚合物结合到 TGN膜上，或者
结合到膜上的分选受体。Granins是神经内分泌细
胞内含量丰富的一类蛋白质，包括嗜铬粒蛋白 A
(chromogranin A, CgA)[1-2]、嗜铬粒蛋白 B (CgB)、
分泌粒蛋白 II~IV (secretogranin II~IV, SgII~IV)[3-5]，
它们对于分泌蛋白的聚集以及聚合物与分选受体的
结合很重要。在垂体细胞和海马神经元中，TGN
膜上的羧肽酶 E (carboxypeptidase E, CPE)作为分
选受体将促黑素细胞皮质素原 (proopiomelanocor-
tin, POMC)、促肾上腺皮质激素 (adrenocorticotropic
hormone, ACTH)和脑源性神经营养因子原 (pro-
brain-derived neuro-trophic factor, pro-BDNF)分选到
分泌囊泡 [4]。
一些激素原加工酶的 C端结构域能直接插入
TGN的脂筏，如 α酰胺化单氧化酶 (α-amidating
monooxygenase, PAM)的跨膜区就含有能将其正
确分选到囊泡的信息。CPE、激素原转化酶 1/3
(prohor-mone convertase1/3, PC1/3)和激素原转化酶
2 (prohor-mone convertase 2 , PC2)的 C端跨膜区都
能与脂筏作用，并且对于它们定位到分泌囊泡是至
关重要的 [6]。
在 TGN上，衔接蛋白 (adaptor protein 1, AP-1)
和GGA (Golgi localized, γ-ear-containing, ADP-ribosyla-
tion factor binding protein)等介导网格蛋白包被要出
芽的囊泡。同时，AP-1还能介导囊泡上的弗林蛋
白酶 (furin)重新回到 TGN[6]。在分泌囊泡上检测到
AP-1和 GGA的存在，表明它们的确是介导网格蛋
白包被的囊泡的出芽。还有其他一些含有 AP-1和
GGA结合序列的蛋白，如 β分泌酶、sorLA (sorting
protein-related receptor containing LDLR class A
repeats)、甘露糖 -6-磷酸受体 (mannose-6-phosphate
receptor)和弗林蛋白酶，都辅助参与 AP-1介导的
网格蛋白包被囊泡的过程 [6]。
接下来的酸化过程对分泌蛋白的正确加工很重
要。用V-ATP酶的阻断剂巴佛洛霉素A1 (bafilomycin
A1)处理 PC12细胞，会显著降低 CgA到 DCV的
分选。在 AtT-20细胞中阻断 V-ATP酶则会降低分
泌囊泡的数目 [4]。不成熟的囊泡内酸化是激素原转
化酶等加工酶活化必需的，激素原转化酶活化后开
始加工胰岛素原、POMC和 secretogranin II等激素
原。
在胰腺 β细胞内，Arvan和 Castle发现在不成
熟的囊泡内除了胰岛素原，还有其他的蛋白质，如
溶酶体酶和错误包装到不成熟囊泡的蛋白质。在囊
泡成熟的过程中，这些蛋白质的去除也很关键 [6]。
在这一过程中，CPE可能还作为滞留受体，将胰岛
素留在囊泡里 [6]。而另一种跨膜蛋白酶，即弗林蛋
白酶，最初也存在于不成熟的分泌囊泡内，当其 C
端被酪蛋白激酶 2 (casein kinase-2)磷酸化后，会与
衔接蛋白 AP-1结合，然后，包含在网格蛋白包被
的小泡里，从不成熟的囊泡里面去除 [7]。
在一些细胞中，成熟过程除了以上这些还包括
融合事件。在 PC12细胞中不成熟与成熟的囊泡相
比，不论大小还是密度都有很大区别。不成熟囊泡
之间的融合及浓缩能在成熟过程中增加囊泡的大小
和密度。融合过程可能需要 syntaxin6、synaptotagmin
IV和 VAMP4等，这些蛋白都在最后以网格蛋白包
被的小囊泡的形式而被去除。网格蛋白包被不仅去
除这些蛋白，还能带走富余的脂膜 [3,7]。
2　DCV的转运
DCV从高尔基体出芽后，通过基于微管的转
运系统被转移到细胞膜附近。AtT20和 PC12细胞
内的嗜铬粒蛋白 B囊泡、含有神经生长因子及神经
营养因子的囊泡，都是通过微管运输的 [6]。马达蛋
白 (motor protein)中的驱动蛋白 (kinesin)沿着微管，
将囊泡从胞体顺向转运到分泌之处，胞浆动力蛋白
杨　松，等：调控型分泌的分子机制研究进展第11期 1059
(dynein)则负责逆向转运到胞体 [3]。有研究发现，
kinesin-1作为内分泌细胞中主要的马达蛋白，能够
将囊泡 (组成型和调控型 )转移到靠近细胞膜附近
的微管末端。最近还发现不同的调控型分泌囊泡有
特定的马达蛋白。kinesin-2,3介导促肾上腺皮质激
素囊泡的顺向运输 [8]。在线虫中，kinesin-3的同源
蛋白 UNC-104，作为马达蛋白负责 DCV沿着轴突
的顺向运输 [9]。细胞受到刺激时，kinesin的活性和
沿着微管的分布都会调整，以有利于调控型囊泡的
分泌 [8]。
囊泡通过微管运输还需要许多的衔接蛋白 [3]。
动力蛋白激活蛋白 (dynactin)就是一种很重要的衔接
蛋白。在非神经细胞和果蝇神经元中的研究发现，
马达蛋白中的驱动蛋白和胞浆动力蛋白都与动力蛋
白激活蛋白有相互作用 [10-11]。在原代培养的海马
神经元的研究中发现，BDNF囊泡沿着微管的转
运就需要 dynactin作为马达蛋白的衔接蛋白，并且
dynactin参与BDNF囊泡在轴突及树突的双向运输 [12]。
调控型分泌囊泡上的跨膜蛋白如 CPE等的胞
浆基序 (cytoplasmic motif)，通过一些衔接蛋白和胞
浆内的马达蛋白连在一起。马达蛋白沿着微管方向
性地运动。囊泡上的跨膜蛋白 CPE不仅能介导胞
吞的囊泡返回到高尔基体，还能帮助促肾上腺皮质
激素囊泡通过衔接蛋白 dynactin与微管马达作用 [6]。
在含有激素或 BDNF的囊泡上只需要很少数量的
CPE胞浆基序，就能与马达蛋白结合，运输囊泡 [6]。
囊泡到达微管结构的末端后被转移到细胞膜附
近的肌动蛋白皮层 (actin cortex)[6]。有假说认为肌球
蛋白 V (myosin V)和纤维型肌动蛋白 (F-actin)等马
达蛋白，都参与转移的过程。Myosin V沿着肌动蛋
白皮层将囊泡转运到分泌位点。F-actin不仅在这一
转运过程中起作用，还有可能参与调节 DCV的分
泌 [13]。Myosin家族里面的 myosin Va是将调控型
分泌的 DCV转运到可释放囊泡库的主要亚型。在
PC12细胞里表达缺陷的 myosin Va不仅会阻断分
泌囊泡到达分泌位点，还会降低囊泡在肌动蛋白皮
层的运动能力 [14]。胰腺 β细胞里胰岛素的调控型分
泌同样也受 myosin Va的影响 [15]。含有胰岛素和神
经肽 Y等激素或神经肽的 DCV的成熟、转运和胞
吐都有 myosin Va的参与。基因沉默 myosin Va或
者表达缺陷型的 myosin Va都导致高糖刺激诱导的
胰岛素的分泌显著降低，这主要是细胞膜附近锚定
的囊泡数目的减少而导致的 [16]。Myosin Va通过
Rab27a及其效应物被募集到 DCV的膜上 [6]。
此外，PAM的跨膜部分也有助于囊泡在肌动
蛋白皮层上的转运。PAM的胞浆基序通过与其 C
末端相互作用的蛋白，以及能够识别 F-actin的 Rho
家族的一种 GDP/GTP交换因子 kalirin，将囊泡联
系到 F-actin，从而影响到囊泡的转运 [6]。而在
AtT20细胞中的研究发现，糖皮质激素调节蛋白中
的膜联蛋白 A1(annexin A1)通过甲酰基肽受体和
Rho激酶信号途径来增强肌动蛋白的聚合作用，从
而阻止胞吐作用，抑制激素的分泌，这也表明肌动
蛋白对于囊泡运输及分泌是很重要的 [13]。
3　DCV的栓系和锚定
DCV达到细胞膜附近后，多种蛋白共同参与
及调节囊泡的栓系和锚定，其中包括 RAB家族和
它们的效应物。此外，调控型分泌囊泡在细胞膜附
近的锚定也有 myosin Va的参与，这与其马达活性
无关 [17]。
Rab家族中的 Rab3和 Rab27就是参与栓系过
程的两种主要蛋白。在刺激后，Rab3和 Rab27被
迅速募集到新合成的囊泡上，参与调节囊泡的分泌
过程。在 PC12细胞中的研究表明，Rab3和 Rab27
协同作用调节 DCV的锚定 [18]。Rab27及其效应分
子结合到 DCV，可能参与调节 DCV的栓系、锚定、
启 动 和 胞 吐。Rab27 的 效 应 蛋 白 有 Slp 家 族
(synaptotagmin-like proteins, Slp)、rabphilin、Noc2、
Slac家族 (Slp homologue lacking C2 domains, Slac2)
和Munc13-4等 [19]。Slp家族和 rabphilin含有与 Rab-
27结合的结构域，以及与钙和磷酸化脂酶结合的串
联的 C2结构域 [18,20]。 Tsuboi[19]在 PC12细胞中研
究Slp4-a和 rabphilin对DCV的调节，提出两种模型。
Rab27以 GTP结合的活化形式结合到囊泡上，
Slp4-a通过其N端Rab27结合结构域与Rab27结合，
然后，Slp4-a作为桥梁将囊泡连接到细胞膜上的
Munc18-1/syntaxin1-a复合物上；而 rabphilin则是
通过其 N端结构域与 Rab27结合，同时，C2B结
构域与 SNAP-25相互作用，从而将结合在 Rab27
上的 DCV拉在细胞膜附近。
Munc18作为调节囊泡分泌的重要蛋白，其在
分泌过程中的功能是很保守的。小鼠Munc18-1的
基因敲除后，神经递质的释放几乎完全消失 [21]。肾
上腺细胞 DCV的胞吐也被严重阻断，下降到野生
型的 10%~15%，而这一部分的胞吐可能是由于
Munc18-2的作用 [22]。线虫 UNC-18、酵母 Sec1p、
果蝇 ROP都有相似的作用。线虫 unc-18缺失导致
生命科学 第23卷1060
严重的运动障碍，这主要是由于神经肌肉连接处的
神经递质分泌减少造成的 [23]。Munc18-1的功能可
能有三个方面：(1)作为 syntaxin的分子伴侣帮助
syntaxin表达和正确定位；(2)促进 SNARE复合物
[soluble N-ethyl-maleimide sensitive fusion protein
attachment protein (SNAP) receptor complex, SNARE
complex]介导的膜融合；(3)帮助囊泡锚定到细胞
膜附近 [24]。Munc18-1对于DCV的锚定是很重要的，
Munc18缺失的肾上腺细胞的电镜结果显示 90%的
DCV都没有锚定在细胞膜附近，这与细胞的分泌
降低 85%~90%是一致的 [25]。同时，syntaxin-1的
缺失也会导致类似的锚定缺陷 [26]。在Munc18缺陷
的细胞中，syntaxin-1的表达及定位异常 [24]。因此，
Munc18导致的锚定缺陷是不是其直接导致的还有
待研究。Munc18很可能通过调节 SNARE蛋白，
如 syntaxin-1，影响 DCV的锚定 [27]。de Wit等 [28]
通过对基因敲除的肾上腺嗜铬细胞的电镜切片的研
究发现，SNAP-25缺失的细胞同样也有锚定缺陷。
在Munc18-1缺失的细胞中，过表达 SNAP-25能够
恢复锚定的表型，尽管仍不能恢复分泌。而在
synaptotamin-1和Munc18-1双缺失的细胞中，过表
达 Munc18-1或者 SNAP-25都不能恢复锚定表型。
这说明 synaptotagmin-1对于锚定复合物的形成也很
重要。他们推测，囊泡上的 synaptotagmin-1可能通
过与 SNARE复合物中的 SNAP-25/syntaxin-1连接
在一起来锚定囊泡。而 Munc18-1则是通过调节
syntaxin-1的构象参与这一过程，并且起到促进和
稳定的作用 [28]。
4　启动
DCV通过启动后变成可立即释放的囊泡库，
这个过程包括形成 SNARE复合物，复合物包括
syntaxin、SNAP-25和 synaptobrevin。在线虫的研
究中发现，DCV和 SV的启动过程需要不同的蛋白
参与。CAPS/UNC-31是 DCV的锚定和启动所需要
的 [29]，而 UNC-13则参与 SV的锚定和启动 [30]。但
是，在肾上腺细胞以及胰腺 β细胞中的研究表明，
Munc13-1通过影响 DCV的启动进而会影响 DCV
的分泌 [31-34]。而且在 CAPS缺失的神经元中能够融
合的 SV几乎没有，这就导致神经递质的快速释放
受到很大影响 [35]。因此，Munc13和 CAPS对大小
囊泡的调节作用可能是相互交替的。
Deng等 [36]通过研究基因敲除的小鼠，提出了
Munc13参与 SV锚定或启动过程的新模型。研究
认为，同源的两个Munc13形成复合物，这种同源
二聚体会抑制Munc13的活性；当细胞受到刺激时，
RIM替代这个二聚体中的一个Munc13后，Munc13
才具有活性，从而促进 SV的启动。Munc13的
MHD结构域可能对于其启动功能是必需的 [37]。
CAPS蛋白也有一个与 Munc13同源的 MHD
结构域和一个可以与磷脂结合的 PH结构域，以及
介导其与 DCV结合的 C端膜结合域。CAPS很可
能通过促进 syntaxin转变为开放构象，然后锚定
DCV。因为在线虫中的研究发现，过表达处于开放
构象的 syntaxin能够直接绕过 DCV锚定时对 CAPS
的需求 [38]。Martin等的研究发现，CAPS与 SNARE
蛋白中的 syntaxin和 SNAP-25有很高的亲和力，而
与 synaptobrevin的亲和力稍弱。并且，syntaxin-1
与 CAPS结合和 C末端位点同它与Munc18结合的
位点并不重叠 [39-40]。这表明，CAPS可能直接与
SNARE蛋白中的一种或几种结合以促进 SNARE复
合物的形成，从而调控 DCV的启动。当然，这还
有待进一步的实验验证。
5　融合
调控型分泌囊泡最终与细胞膜的融合 (fusion)
过程是由钙离子触发的。作为感受钙并结合钙的蛋
白，synaptotagmin在囊泡与细胞膜的融合过程中起
着非常重要的作用 [41]。在哺乳动物中，至少有 16
种 synaptotagmin存在 [42]。可以推测，在不同钙敏
感性的不同类型的囊泡的分泌过程中有着特异的
synaptotagmin在调节这些过程。在一些神经元中，
synaptotagmin-1作为钙感受器对于 SV的同步释放
很重要 [43]。而在嗜铬细胞中的研究发现 synapto-
tagmin-1在快速的、对钙敏感性高的 DCV的胞吐
过程中也有很重要的作用 [44]。在 INS-1细胞中，
synaptotagmin-1的基因沉默会抑制胰岛素的释放 [45]。
Synaptotagmin-1有两个 C2结构域，C2A和 C2B结
构域，这种结构域有类似于 β-sandwich的结构，而
β-sandwich的 loop的顶部能结合钙离子和磷脂 [46]。
Synaptotagmin-1可能通过 C2B结构域及其表面丰
富的碱性残基介导膜的同步结合，以钙依赖的方式
将两种膜成分拉近。Synaptotagmin-1除了与膜结合，
还能直接与 SNAREs相互作用，syntaptotagmin-1
和 SNARE复合物的功能就在钙触发的释放过程中
联系起来 [47]。有种模型就认为，synaptotagmin可能同
时与膜和磷脂结合，形成 SSCAP复合物 (SNARE –
synaptotagmin-1 – Ca2+ – phospholipid complex, SSCAP
杨　松，等：调控型分泌的分子机制研究进展第11期 1061
complex)。在这种模型中，C2B结构域的顶端和底
部还能与相对的膜作用，并在 SNAREs的协助下将
膜拉在一起，而且 C2B结构域末端和 SNARE复合
物的 C端在一起产生正的静电势，从而引起膜的负
曲率并使膜弯曲，最终导致膜融合 [47]。
SNARE蛋白 syntaxin、SNAP-25和 synaptobrevin
通过四个 α螺旋聚合形成三聚体的 SNARE复合物。
囊泡膜蛋白 synaptobrevin提供一个 α螺旋，细胞膜
附着蛋白 SNAP-25提供两个 α螺旋，最后一个 α
螺旋由细胞膜蛋白 syntaxin提供。SNARE复合物
的形成使囊泡膜与细胞膜非常接近 [48]，促进其脂质
的混和，最后导致融合。针对任何一个 SNARE蛋
白的扰动，如用梭菌毒素切割或者直接使用其抗体，
都可以抑制囊泡的融合 [49-51]。而且，仅仅包含
SNARE蛋白的重构囊泡，不需要其他蛋白的协助
就可以直接融合 [52]。
6　总结
囊泡从生成、转运到与细胞膜的融合这一系列
过程中有许多因子参与，它们调控着不同类型囊泡
的转运及分泌的不同步骤。目前的研究已经为相关
蛋白如何参与调控这些过程提出了许多有理有据的
模型，但是其中一些蛋白质的作用机制还不是很清
楚；有些蛋白除了已知的功能，可能还有其他功能
或参与囊泡分泌的其他过程；此外，更多新的调节
蛋白还有待发现。细胞系、线虫、大鼠等各种研究
模型以及电生理、光学显微技术、电镜等研究手段
的发展与成熟也为今后的深入研究提供了更好的条
件。
[参　考　文　献]
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