Korean J Otorhinolaryngol-Head Neck Surg 2013;56: Regulated ATP Basal secretion Stimulated secretion Constitutive Apical DAG IP3 Secretory granu

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은찬 정
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1 online ML Comm Review Korean J Otorhinolaryngol-Head Neck Surg 2013;56: / pissn / eissn Regulation of Mucin Exocytosis in Airway Secretory Cells Jeong Hong Kim Department of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery, Jeju National University School of Medicine, Jeju, Korea 기도 분비세포에서 점액의 세포외유출 조절 김 정 홍 제주대학교 의학전문대학원 이비인후과학교실 Received February 11, 2013 Accepted February 27, 2013 Address for correspondence Jeong Hong Kim, MD Department of Otorhinolaryngology- Head and Neck Surgery, Jeju National University School of Medicine, 15 Aran 13-gil, Jeju , Korea Tel Fax sevent70@hanmail.net Mucin secretion in the airway epithelium acts as an essential barrier process that protects the upper respiratory tract from inhaled particles, environmental pathogens and toxicants. However, dysregulated mucin secretion contributes to pathophysiologic conditions such as rhinitis, asthma, and chronic obstructive pulmonary disease etc. The study on mucin hypersecretion has long been worked, but the exact molecular composition and mechanism for exocytic machinery remain mostly to be elucidated. The regulated mucin secretion, highly coordinated process, is mediated by the cooperative interaction of several proteins existing in the secretory granule, cytoplasm, and plasma membrane. This review provides the information on molecular components of the core exocytic machinery and their functional roles for mucin exocytosis in airway secretory cells. Korean J Otorhinolaryngol-Head Neck Surg 2013;56: Key Words Airway secretory cells ㆍExocytosis ㆍMucin ㆍRegulated mucin secretion. 서 론 구가 진행되어 왔으나 점액 분비의 증가가 점액 생성의 증가 에 비례하여 필연적으로 일어나는 것은 아니며 정상적인 점액 생성의 조건하에서도 체계적으로 조절되지 않는 경우에 발 생하는 점액의 과분비는 다양한 임상 질환을 유발하는 원인 을 제공한다 이에 호흡기도의 분비세포 내에서 일어나는 점액 의 세포외유출 과정과 이에 관여하는 분비과립 및 세포막 그 리고 세포질에 존재하는 다양한 단백 물질들의 상호 작용 및 역할에 대해 살펴보고자 한다 세포외유출 과정의 분류 세포외유출 은 막으로 싸여 있는 세포내 구조 가 세포막과 융합하여 세포막에는 손상없이 그 속에 있는 내 용물을 세포외공간으로 내보내는 과정을 뜻한다 기도상피의 분비세포에서 점액의 세포외유출 과정은 효모 나 신경 세포 와 같은 세포외유출 기전이 잘 알려진 개체를 근간으로 하여 연구되어 왔는데 당단백질로 구성된 점액을 함유하고 있는 분비과립 이 골지체 에서 형성된 다음 세포의 선단면 으로 이동한 후 세포막과 융합하여 열리면서 기도 표면으로 점 액을 방출하게 된다 현재 점액 분비 에 대한 연구는 점액의 생성에 관여하는 점액 유전자의 과발현 - 및 상피세포성장인자 혹은 - κ 와 같은 매개 물질의 활성화와 자유활 성산소기 의 영향 등에 초점을 맞추어 연 세포외유출은 크게 본질적 세포외유출 - 과정과 조절적 세포외유출 과 정으로 구분되는데 전자는 모든 세포에서 관찰되는 현상 중 의 하나로 외부의 어떤 자극도 없는 조건에서 세포막을 구성 하는 단백질이나 지방 등을 함유한 운송 소포 - 가 소포체 혹은 골지체에 Copyright 2013 Korean Society of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery 123

30 / pissn 2092-5859 / eissn 2092-6529 http://dx.doi.org/10.3342/kjorl-hns.2013.56.3.123 Regulation of Mucin Exocytosis in Airway Secretory Cells Jeong Hong Kim Department of Otorhinolaryngology-Head

2 Korean J Otorhinolaryngol-Head Neck Surg 2013;56: Regulated ATP Basal secretion Stimulated secretion Constitutive Apical DAG IP3 Secretory granule Golgi apparatus Ca 2+ Nucleus ER Golgi Constitutive Basolateral Fig. 1. Three exocytic pathways-basolateral constitutive exocytosis, apical constitutive exocytosis, and apical regulated exocytosis-can be identified in airway secretory epithelial cells. The apical regulated secretion can be further divided into basal and stimulated pathway. The second messengers-dag, IP3, and Ca 2+ -act to promote the priming and fusion between secretory granules and plasma membrane. DAG: diacylglycerol, IP3: inositol-triphosphate, ATP: adenosine triphosphate, ER: endoplasmic reticulum. 서 형성된 다음 지속적으로 세포막의 측기저부 및 선단면으로 이동하여 세포막의 복원 및 재생 에 이용되는 과정을 의미한다 반면 후자는 각종 호르몬이나 효소 신경전달물질 등이 골지체내의 막으로 둘러싸인 분비 소포 속에 안정적으로 존재하다가 어떤 외 부 자극을 받으면 이들 소포가 골지체에서 유리되어 세포막 의 선단면으로 이동하여 세포막과 융합한 후 분비소포의 내 용물을 세포막 밖으로 배출하는 과정을 뜻한다 이러 한 형태의 세포외유출은 알레르기비염에 관여하는 비만세포 나 사이토카인 분비 염증세포 각종 장기의 분비세포 호르몬 생성세포 혹은 신경전달물질을 함유하는 신경세포의 말단 시냅스 등에서 관찰할 수 있는 순차적인 신호전달체계 및 세 밀한 조절 기전을 가지고 일어나는 현상으로 각 세포마다 고 유의 분비 관련 단백질이 존재하여 세포 특이적 세포외유출 의 기능을 수행하고 있는 것으로 알려져 있다 호흡기도에서 점액 분비세포 호흡기도 란 비강에서부터 종말세기관 지 까지의 경로로 기도 점막 상피층에는 점액 외에 다양한 항균 단백질과 면역 글로불린을 분비하는 분비세포 점액 수송을 담당하는 섬모세포 그리고 세포 분화의 근원 역할을 하는 기저세 포 가 존재한다 분비세포는 현미경하에서 관찰되 는 모양과 호흡기도내 분포하는 장소에 따라 술잔세포 배세포 클라라세포 세기관지 분비세포 장액세포 점액세포 등으로 구분되는데 특히 술잔세포와 클라라세포는 각 각 염색과 면역조직화학염색을 시행하면 플 라스크 모양의 세포 형태를 보이면서 점액소 가 연적 색으로 보이는 술잔세포와 돔 형태의 모양을 띠면서 점액소가 군청색으로 보이는 클라라세포를 관찰할 수 있다 사람의 호흡기도에서 술잔세포는 상피층의 기저세포에서 분 화되어 비강내를 비롯하여 대략 직경이 이상 되는 종말세기관지 까지 분포하며 이하 의 호흡세기관지 에서는 일반적으로 존재하지 않는다 대신에 클라라세포가 종말세기관지부터 호 흡세기관지에 걸쳐 점액 분비의 기능을 담당하며 분포한다 한편 쥐를 포함한 설치류에서는 비강을 포함해 기관부터 하부 기도에 이르기까지 술잔세포는 거의 존재하지 않으며 클라라 세포가 호흡기도에서 주된 분비세포로서의 역할을 담당하고 있다 이러한 세포들이 바이러스 혹은 병원성 세균 흡입 독소를 비롯하여 특정 항원 물질에 의한 알레르기 감작 그리고 - 과 같은 염증 유발 사이토카인 등의 자극을 받으면 호흡상피의 일차 방어체계로서 점액의 생성이 증가하 면서 점액 분비세포의 수가 증가하고 증식 동시 에 크기와 형태가 변화하는 과정 화생 을 거치게 된다 이 때 염색을 시 124

Three exocytic pathways-basolateral constitutive exocytosis, apical constitutive exocytosis, and apical regulated exocytosis-can be identified in airway secretory epithelial cells.

3 Regulated Mucin Exocytosis in Airway Secretory Cells Kim JH A B C Naïve (OVA-/ATP-) Metaplastic (OVA+/ATP-) Degranulated (OVA+/ATP+) Fig. 2. The pattern of mucin production and secretion in C57BL/6 mice under three conditions-naïve, metaplastic, and degranulated. Tissue secton from antigen-challenged mice was stained using a PAFS method. In the normal airway epithelium, AB-PAS positive materials (glycosylated proteins, mucins) are rarely observed in the epithelial cells (basal production, basal secretion)(a). In the metaplastic airway epithelium, immunized and challenged by OVA, abundant AB-PAS positive materials are observed in the cytoplasm of Clara cells (increased production, basal production)(b). Following airway challenge with aerosolized ATP stimulus shows AB-PAS positive materials in the cytoplasm are degranulated into the airway lumen (increased production, stimulated secretion)(c). PAFS: periodic acid fluorescent Schiff, AB-PAS: alcian blue-periodic acid Schiff, OVA: ovalbumin, ATP: adenosine triphosphate. 행하여 형광현미경으로 기도 상피세포를 관찰하면 점액소를 함유한 분비과립이 세포질내 충만한 것을 관찰할 수 있으며 와 같은 외부 자극을 주면 세 포내 분비과립이 탈과립화되어 기도내로 분비된 것을 확인할 수 있다 점액의 세포외 분비 형태 점액 분비세포내 존재하는 분비과립의 양을 어떤 특정 시점 에서 확인하는 것은 점액의 생성과 분비라는 자율적으로 조 절되는 두 기전 사이의 상관관계를 반영한다고 볼 수 있다 놀 랍게도 염증 반응이나 외부 자극이 없는 안정 조건 하에서는 정상적인 사람 및 쥐의 호흡기도 상피는 로 염색시 연적색 으로 염색되는 세포들을 거의 찾아볼 수 없다 왜냐하면 분비세포에서 기저 속도로 점액을 합성 하더라도 기도 강 내로 지속적이고 안정적으로 분비 하고 있어 세포질내 축적 되는 분비과립이 거의 없으며 조절기저분비 상피 표면 점액층 으로 분비된 점액도 섬모 운동에 의해 지속적으로 배출되어 희 석되기 때문이다 반면 기도 상피세포에 염증성 자극 혹은 점 액 분비를 촉진하는 자극이 가해지면 혹은 와 같은 점액 단백을 생성하는 의 발현이 급격히 증가 하면서 분비세포가 화생성 변화 를 일으키고 세포 질내 점액당단백을 함유한 과립이 증가하여 양성 반 응을 보이는 수 많은 분비과립을 관찰할 수 있다 세포질내 축 적된 점액 과립은 세포외유출에 관여하는 다양한 세포질내 단백 물질과 분비과립막 그리고 세포막에 존재하는 단백 물 질들과의 상호 작용을 통해 골지체에서 세포막의 선단면으로 분비과립의 이동을 유도하고 분비과립막과 세포막의 융합 과 정을 거쳐 기도 표면으로 점액을 방출하게 된다 이처럼 외부 자극에 의해 분비세포내 증가된 분비 과립들이 세포막으로 이 동하여 세포 외부로 배출되는 과정을 조절기저분비 와 구별하여 조절자극분비 라 한다 분비과립의 생성 및 세포막으로의 이동 정상적인 기도 점막에서는 점액유전자가 주로 발 현되어 기도 내로 최소 점액이 분비되지만 기도 염증 유발 반 응에 의해서는 는 약 배 는 배 가량 발현이 급격히 증가한다 이러한 와 같은 점액유전자의 발현에 의해 점액단백질이 리보솜에서 합성되면 조면소포체 를 거쳐 운송소포 내에 포장된 상태로 세포질로 유 리되는데 운송소포 바깥벽 또한 세포막처럼 이중 지방층 으로 되어 있어 소포내 점액소가 세포질과 섞이 지 않고 소포내에 존재할 수 있게 한다 그런 다음 운송소포가 골지체의 형성면 과 융합하여 골지체로 흡수된 후 그 안에서 당화반응 을 거쳐 성숙면 에서 세포막의 선단면 방향으로 분비소포를 출아한다 처음 미 성숙 상태로 분비된 소포는 동형의 작은 소포들끼리 125

In the normal airway epithelium, AB-PAS positive materials (glycosylated proteins, mucins) are rarely observed in the epithelial cells (basal production, basal secretion)(a).

4 Korean J Otorhinolaryngol-Head Neck Surg 2013;56: VAMP Synaptotagmin Secretory granule Mucin Ca 2+ ER IP3R Doc2b Rab Rab effector Munc13 A B P2Y2R IP3 Gc ATP DAG PLC SNAP-23 Syntaxin Munc18 Fig. 3. This figure represents a model of regulated mucin exocytosis in the airway secretory cells. The secretagogue ATP binding to apical P2Y2 receptor activates G-protein, which in turn activates PLC. The activated PLC generates the intracellular second messengers, DAG and IP3. Mucin-containing secretory granules move towards the apical cell membrane by transport mechanism mediated by Rab proteins and cytoskeleton proteins, then become tethered to the plasma membrane by the interactions of a Rab effector and Munc18 combined with Syntaxin. DAG directly binds to Munc13, inducing Syntaxin to combine with SNAP-23 and VAMP. IP3 induces the release of Ca 2+ from endoplasmic reticulum, resulting in a rise in cytoplasmic Ca 2+ concentration that activates the vesicle membrane proteins-synaptotagmin. In addition, Doc2b supports full coilings of the SNARE complex (A). The fusion of two lipid bilayer leads to the release of mucin contents within secretory granules into the airway lumen (B). ATP: adenosine triphosphate, PLC: phospholipase C, IP3R: inositol-triphosphate receptor, Rab: ras genes from rat brain, Munc: mammalian homologue of C. elegans uncoordinated, SNAP-23: 23 kda synaptosome-associated protein, VAMP: vesicle-associated membrane protein, Doc2b: double C2 protein beta, SNARE: soluble N-ethylmaleimide sensitive factor attachment protein receptor, DAG: diacylglycerol, ER: endoplasmic reticulum. 분자 상호간의 결합에 의해 융합되면서 성숙된 분비과립 - 으로 성장한다 전자현미경적으로 정도 크기의 작은 구를 이라고 명명하고 이상 크기의 구는 이라고 한다 세포막과의 융합을 위한 분비과립의 이동은 확산 작용과 세포질내 존재하는 세 포골격단백 에 의해 일정한 방향으로 진행하도록 유도되는데 점액 분비 촉진 자극제에 의해 활성 화된 는 세포막에 부착되어 있는 - 를 인산화하여 이를 세포질 쪽으로 전위시키고 는 를 다시 탈인산화시켜 분비과립막에 안정적으로 부착시켜 와의 결합을 유도한다 또한 분비과립막에 위 치한 단백은 - 및 와 결합하여 분비과립이 세포질내 존재 하는 및 를 근간으로 하여 세포 막의 선단면으로 이동할 수 있도록 유도해준다 최종적인 세 포외유출 과정이 일어나기 위해서는 분비과립과 세포막 각각의 이중 지방층 구조가 서로 융합되기 전에 분비 과립들이 막융합이 일어날 부위로 이동 하여 세포막 126

The activated PLC generates the intracellular second messengers, DAG and IP3.

5 Regulated Mucin Exocytosis in Airway Secretory Cells Kim JH 에 바로 인접한 활성구역 에서 목표로 하는 세포 이라고 한다 이 때 분비과립막과 세포막에 존재하는 특 정 단백 물질의 활성화에 의해 분비과립막과 세포막을 엮어 주는 중심복합체 의 형성이 촉발 되고 이 과정에 분비과립막과 세포질 세포막에 존재 하는 여러 단백 물질들이 상호 유기적이고 체계적으로 작용하 여 점액 분비를 위한 막융합 을 수행하게 된다 점액의 세포외유출(Exocytosis) 조절 기전 모든 진핵세포 는 유전 암호의 발현으로 생성된 특정 단백질을 막으로 둘러싸인 소기관에 저장해 놓 았다가 세포 외부로 분비하는 기능을 수행하는데 이 과정은 고도의 특이성과 통제된 조절 기전을 거쳐 이루어진다 특히 호흡기도에서 점액의 분비 과정은 외부 자극이 없는 상태에서 는 기본적인 기도 점막의 점액섬모청소 를 위해 필요한 최소 양의 점액만 분비세포에서 합성되어 분 비되지만 콜린성 자극이나 아라키돈산 대사 산물 알레르기 항원 바이러스 병원성 세균 등과 같은 세포 외부로부터의 자극이 있을 때는 다량의 점액이 생성되면서 순차적인 단계를 거쳐 세포막을 통해 기도로 분비된다 세포내 물질의 세포외 등 의 뇌신경세포 시냅스에서 신경전 달물질의 세포외유출 연구를 통해 본격적으로 기초 개념이 정립되었으며 그 이후 많은 가설과 추론을 동물 실험을 통해 입증하였고 기도 점액 분비세포의 경우에 있어서도 쥐의 기도 상피 자극 실험을 통해 하나씩 그 베일이 벗겨져 가고 있다 계란 알부민 과 같은 알레르기성 외부 자극을 통해 상피세포가 화생성 변화가 일어나도록 유도시킨 다음 실험 적으로 현재까지 알려진 가장 효과적인 점액 분비 촉진제인 를 흡입 자극시킬 경우 는 세포막에 존재하는 단백과 연계된 퓨린 수용체를 활성화시킨다 또한 는 안정 조건하에서도 분비세포내에 존재하다가 조절된 세포외유출 과정을 통해 세포 외부에서 자가조절 방식으로 다시 세포막에 존재하는 퓨린 수용체와 결합해 지속적으로 점액 분비를 촉진한다 이 때 는 점액 분비세포에 연접한 섬모세포에도 동시에 작용 하여 통로를 통해 과 의 분비를 촉진한다 의 세포외 분비 증가는 의 활성을 막과 물리적인 접촉이 먼저 일어나야 하는데 이 과정을 - 유출 과정은 년대 초반 - 기도 분비세포에서 점액의 세포외유출 과정은 우선 - 억제하여 의 세포내 유입을 차단함으로써 상피세포 표면 의 수분과 이온 양을 조절하고 이를 통해 점액의 유동성 및 탄성도를 결정짓는 역할을 한다 등 의 이 나 과 같은 기도 염증 유발 물질을 이용한 쥐의 기도상피 화생성 변화 유발 실험에서 항원 노출 후 일째 분무액 의 용량을 달리하여 흡입시킬 경우 분간 농도로 처 치시 클라라세포내 축적된 분비과립의 양이 의 분무 용량에 의존적으로 의미있게 감소함을 보였다 에 의해 활성화된 수용체는 단백을 통해 세포 외막에 존재하는 를 활성화시켜 세포내 이 차 전령으로서 와 을 생성한다 는 소포체 로부터 을 방출시 켜 세포질내 농도 를 증가시키는 반면 는 세포막에 존재하는 통로를 열어 를 증가시킴과 동시에 단백을 직접 활성화시키기도 한다 년 등 은 효모의 출아 과정부터 신경 시냅스 호르몬 및 점액 분비세포에 이르기까지 세포내 막융합 조절계가 공통적 으로 존재하며 이를 통해 다양한 형태의 분비소포가 목표로 하는 세포막과 융합이 일어난다는 가설 을 제시하였다 이것은 공여부의 막에서 생성된 분비과립의 외 막에는 를 구성하는 단백과 표적 이 되는 세포막에는 를 구성하는 과 단백이 존재하여 분비과립막과 세포질내 존재하는 결합 단백과 이들 단백들이 코일 구 조로 꼬이면서 서로 얽혀서 중심복합체 - 를 형성한다는 것이다 와 와 같은 이차 전령들에 의해 조면소포체에 존 재하는 통로가 열리면서 분비과립막에 존재하는 기능을 수행하는 단백이 활성화 되고 세포막에 분포하는 통로를 통해 세 포질로 유입된 은 세포질내 존재하는 결합 단백인 과 단백 등을 순차 적으로 활성화시킨다 또한 분비과립의 이송에 필요한 세포골 격단백 물질들과 결합하여 세포막으로의 이동을 유도하는 단백이 활성화되면서 중심복합체와 더불어 분비 과립과 세포막 사이의 조절된 융합 과정을 수행하게 된다 최근 기도 분비세포에서 중심복합체의 작용기전 연구에서 단백은 분비과립내 함유된 점액을 세포막 밖으 로 분출하기 위한 소공 을 형성함에 있어서 의존 127

특히 호흡기도에서 점액의 분비 과정은 외부 자극이 없는 상태에서 는 기본적인 기도 점막의 점액섬모청소 를 위해 필요한 최소 양의 점액만 분비세포에서 합성되어 분 비되지만 콜린성 자극이나 아라키돈산 대사 산물 알레르기 항원 바이러스 병원성 세균 등과 같은 세포 외부로부터의 자극이 있을 때는 다량의 점액이 생성되면서 순차적인 단계를 거쳐 세포막을 통해 기도로

6 Korean J Otorhinolaryngol-Head Neck Surg 2013;56: 성으로 분비과립막과 세포막 융합 과정의 마지막 단계에 작 용하여 중심복합체를 활성화시키는 것으로 밝혀졌 다 이 는 신경 시냅스나 신경 내분비세포 호르몬 분비 세포 염증 사이토카인 분비세포 등에서 세포외유출 조절 기 전에 공통적으로 존재하는 것으로 알려져 있으며 현재까지 포유류의 게놈에서는 적어도 개의 동형체가 발견되었 다 이 중 는 세포질내 과 낮은 친화력 을 보이는 특성을 지녀 μ 의 고농도 조건에서 과 결합시 빠르고 동시에 작동하는 의 특징을 보이는 반면 은 과 높은 친화력 을 지니고 있어 μ 미만의 저 농도 조건에서 과 결합하며 느리고 비동시성 으로 작동하는 특성을 갖고 있는 것으 로 밝혀졌다 등 은 배경의 쥐를 여러 세대 역교배하여 얻은 기능소실모델 연구에서 에 의한 점액 분비 자극시 기능소실 쥐는 야생형 쥐에 비해 분비세 포내 점액 분비과립의 세포외유출이 의미있게 감소하고 분비 과립내 점액소 축적이 야생형 쥐에 비해 이상 증가한 결 과를 보여 점액의 조절 분비 에 있어서 핵심적 역할을 수행하고 있다는 것을 보고하였으며 또한 세 포외유출 후 분비소포의 재활용 과정에도 밀접하게 관여하 는 것으로 추정하였다 단백 또한 과 결합하는 도메인 과 와 결합하는 도메인 그리고 과 작용하는 α 구조를 지니고 있어 최 종 융합 단계에서 과 에 의해 활성화되면서 단백과 결합 후 복합체 형성을 유 도하여 세포막 융합 과정에서 을 촉진하는 것으로 연 구되었다 은 현재 개의 동형체가 존재하는 것으로 알려져 있는데 는 주로 외부 자극이 없는 안정상태의 점액 분비 에서 세포외유출을 조절하는 반 면에 는 점액 분비 촉진 자극시 복합체 의 형성을 활성화하여 세포외유출을 조절하는 것으로 이해하 고 있다 그리고 의 동형체 중 단백 또한 단백과의 상호 작용을 통해 기도 상피세 포의 점액 조절 분비에 긴밀히 관여하는 것으로 최근 보고되 었다 한편 세포질에는 본질적 막융합 - 과 조절적 막융합 에 공통적으로 작용하는 단백과 의 접합기인 α α 단백이 존재하여 분비과립과 세포막 간의 특이적 융합 활동을 매개함과 동시에 의 작용을 통해 융합된 막에 결합된 중심복합체를 해체시키 면서 각기 원래의 구조로 되돌아갈 수 있도록 하여 재순환을 유도하는 기능을 하는 것으로 연구되어졌다 분 비과립 외막에 존재하는 단백 또한 최근 쥐의 기도 분비세포 연구에서 점액 과립의 세포외유출 조절에 필수적 인 단백을 구성하는 것으로 확인되었다 기도 분비세포에서 단백의 역할에 대해서는 아직은 공표된 연구 결과가 없지만 신경 시냅스 연구에서는 세포질내 존재하면서 보다 더 높은 친화력을 보이는 로 서 과도 결합하는 도메인을 갖고 있어 안정 조건과 분 비 자극 조건에서 점액의 세포외유출 과정에 중요한 역할을 담 당하고 있을 것으로 추정하고 있다 한편 는 와 두 개의 동형체가 주로 - 과 같은 의 보조를 받아 에 의해 선단면으로 이동한 분 비과립이 세포막에 부착되는 과정에서 단백과의 상호 작용을 통해 조절적 세포외유출 과정을 조율하는 것으로 알 려져 있다 이러한 단백 물질들의 유기적 상호 작용뿐만 아 니라 조면소포체와 세포막의 통로를 통해 세포질내로 들 어온 은 점액의 세포외유출 조절 과정에서 분비과립막에 도 존재하는 통로를 통해 과립내로 유입되어 음전위를 띠 고 있는 점액당단백을 고단위 점액질로 응축시키는 한편 세 포질내 얽혀 있는 를 와해시키고 단백 에 의한 과정과 단백에 의한 세포막 융합 과정을 촉매시키는 역할을 담당하고 있다 세포막에 존재 하는 구성 단백인 과 은 분비과 립막의 와 로 결합하여 차원적인 코일 구조 의 중심복합체를 형성하며 이들 단백에도 여러 종류의 동형 체가 존재하는 것으로 보아 및 의 다양한 짝지 음 을 통해 분비과립막과 세포막의 선택적 특이성 을 결정짓는 요소로 추정하고 있으며 융합 후 최 종 단계에서 의 에 의해서 코일 구조가 해체되 면서 본래 위치로 복귀하는 것으로 이해하고 있다 성숙된 분 비과립에서 점액소의 세포외유출은 이내에 순식간에 일어나는 과정으로서 중심복합체에 의한 막융합을 통해 세포외유출이 시작되면 융합된 세포막의 교환기에 의해 유출이 본격화되고 점액 기질로부터 에 의한 점액당단백의 음전하 결속이 풀리면 응축된 점액 소가 급속히 팽창되는 힘에 의해 배 이상 부피가 확대되면 서 융합소공 이 열리게 된다 이 때 점액소가 아 주 빠른 속도로 분출되면서 점액의 세포외유출 과정은 종료 되고 분비과립은 다시 세포질로 이동하여 재활용 과정을 거치 게 된다 128

은 배경의 쥐를 여러 세대 역교배하여 얻은 기능소실모델 연구에서 에 의한 점액 분비 자극시 기능소실 쥐는 야생형 쥐에 비해 분비세 포내 점액 분비과립의 세포외유출이 의미있게 감소하고 분비 과립내 점액소 축적이 야생형 쥐에 비해 이상 증가한 결 과를 보여 점액의 조절 분비 에 있어서 핵심적 역할을 수행하고 있다는 것을 보고하였으며 또한 세 포외유출 후

7 Regulated Mucin Exocytosis in Airway Secretory Cells Kim JH 결 론 정상적으로 조절되지 않는 점액 과분비로 인한 점액의 점 성 및 탄력성 증가는 상부 호흡기도에서는 만성 비염이나 부 비동염 후비루 증후군 등을 유발하는 환경을 조성하고 하 부 호흡기도에서는 천식 만성폐쇄성폐질환 그리고 낭성섬유 증 등과 같은 다양한 폐질환의 임상적 병인으로 작용한다 최근까지 연구된 기도 점액 분비세포에서 세포외유출 과정은 유전적으로 조작된 기능소실 유전자를 지닌 쥐의 기도 분비세포를 가지고 점액당단백을 함유한 분비과립 과 세포막과의 에 관여 하는 단백 물질을 규명하면서 획기적인 진보를 일구어냈다 이 가운데 중심복합체 이론은 복잡한 세포내 소기 관들 사이의 막 이송 및 세포막과의 융합을 통해 특정 물질을 세포 외부로 분비시키는 조절된 세 포외유출 과정을 단순한 원칙으로 설 명할 수 있어 점액 분비에 관여하는 단백질 연구에 초석을 다 지는 계기가 되었다 그러나 분비세포내 막융합을 통한 세포 외유출 과정은 각 단계별로 체계적인 연관성과 고도의 정교 한 조절 기전을 가지고 일어나는 일련의 운송 체계로서 이러 한 단백 물질들이 어떠한 상보관계를 가지면서 세포내에서 작용하고 또 활성화되는지 아직은 명확한 이해에 도달하지 못한 상태이다 향후 기존에 밝혀진 막융합에 관여하는 여러 단백 물질들의 상호 작용뿐만 아니라 분비세포의 세포외유 출 조절 기전에 대한 추가 연구를 통해 기도 점액 분비의 불균 형으로 인해 생기는 질환의 치료에 있어서 점액의 과생성을 억제하거나 이미 분비된 점액당단백의 분해를 촉진하는 방법 외에 점액 분비 조절 측면에서 새로운 치료 방향의 모색이 필 요할 것으로 사료된다 Acknowledgments This research was supported by the 2013 scientific promotion program funded by Jeju National University. I d like to express my deep appreciation to Dr. Button F. Dickey and PhD. Michael J. Tuvim in the Department of Pulmonary Medicine of MD Anderson Cancer Center, Houston, Texas for didactic lectures and instructions on this subject. REFERENCES 1) De Matteis MA, Luini A. Mendelian disorders of membrane trafficking. N Engl J Med 2011;365(10): ) Martens S, McMahon HT. Mechanisms of membrane fusion: disparate players and common principles. Nat Rev Mol Cell Biol 2008;9(7): ) Fahy JV, Dickey BF. Airway mucus function and dysfunction. N Engl J Med 2010;363(23): ) Evans CM, Williams OW, Tuvim MJ, Nigam R, Mixides GP, Blackburn MR, et al. Mucin is produced by clara cells in the proximal airways of antigen-challenged mice. Am J Respir Cell Mol Biol 2004; 31(4): ) Williams IP, Hall RL, Miller RJ, Richardson PS. Analyses of human tracheobronchial mucus from healthy subjects. Eur J Respir Dis 1982; 63(6): ) Boers JE, Ambergen AW, Thunnissen FB. Number and proliferation of clara cells in normal human airway epithelium. Am J Respir Crit Care Med 1999;159(5 Pt 1): ) Rogers DF. The airway goblet cell. Int J Biochem Cell Biol 2003; 35(1):1-6. 8) Piccotti L, Dickey BF, Evans CM. Assessment of intracellular mucin content in vivo. Methods Mol Biol 2012;842: ) Williams OW, Sharafkhaneh A, Kim V, Dickey BF, Evans CM. Airway mucus: from production to secretion. Am J Respir Cell Mol Biol 2006;34(5): ) Davis CW, Dickey BF. Regulated airway goblet cell mucin secretion. Annu Rev Physiol 2008;70: ) Gundelfinger ED, Kessels MM, Qualmann B. Temporal and spatial coordination of exocytosis and endocytosis. Nat Rev Mol Cell Biol 2003;4(2): ) Evans CM, Koo JS. Airway mucus: the good, the bad, the sticky. Pharmacol Ther 2009;121(3): ) Südhof TC. The synaptic vesicle cycle: a cascade of protein-protein interactions. Nature 1995;375(6533): ) Hussain S, Davanger S. The discovery of the soluble N-ethylmaleimidesensitive factor attachment protein receptor complex and the molecular regulation of synaptic vesicle transmitter release: the 2010 Kavli Prize in neuroscience. Neuroscience 2011;190: ) Kreda SM, Seminario-Vidal L, van Heusden CA, O Neal W, Jones L, Boucher RC, et al. Receptor-promoted exocytosis of airway epithelial mucin granules containing a spectrum of adenine nucleotides. J Physiol 2010;588(Pt 12): ) Tuvim MJ, Mospan AR, Burns KA, Chua M, Mohler PJ, Melicoff E, et al. Synaptotagmin 2 couples mucin granule exocytosis to Ca2+ signaling from endoplasmic reticulum. J Biol Chem 2009;284(15): ) Söllner T, Whiteheart SW, Brunner M, Erdjument-Bromage H, Geromanos S, Tempst P, et al. SNAP receptors implicated in vesicle targeting and fusion. Nature 1993;362(6418): ) Rothman JE. Mechanisms of intracellular protein transport. Nature 1994;372(6501): ) Ferro-Novick S, Jahn R. Vesicle fusion from yeast to man. Nature 1994;370(6486): ) Brunger AT. Structure and function of SNARE and SNAREinteracting proteins. Q Rev Biophys 2005;38(1): ) Young SM Jr, Neher E. Synaptotagmin has an essential function in synaptic vesicle positioning for synchronous release in addition to its role as a calcium sensor. Neuron 2009;63(4): ) Kochubey O, Lou X, Schneggenburger R. Regulation of transmitter release by Ca(2+) and synaptotagmin: insights from a large CNS synapse. Trends Neurosci 2011;34(5): ) Morgan A, Burgoyne RD. Common mechanisms for regulated exocytosis in the chromaffin cell and the synapse. Semin Cell Dev Biol 1997;8(2): ) Pang ZP, Melicoff E, Padgett D, Liu Y, Teich AF, Dickey BF, et al. Synaptotagmin-2 is essential for survival and contributes to Ca2+ triggering of neurotransmitter release in central and neuromuscular synapses. J Neurosci 2006;26(52): ) Zhu Y, Ehre C, Abdullah LH, Sheehan JK, Roy M, Evans CM, et al. Munc13-2-/- baseline secretion defect reveals source of oligomeric mucins in mouse airways. J Physiol 2008;586(7): ) Kim K, Petrova YM, Scott BL, Nigam R, Agrawal A, Evans CM, et al. Munc18b is an essential gene in mice whose expression is limiting for secretion by airway epithelial and mast cells. Biochem J 2012; 446(3): ) Hay JC, Scheller RH. SNAREs and NSF in targeted membrane 129

세포막과의 융합을 통해 특정 물질을 세포 외부로 분비시키는 조절된 세 포외유출 과정을 단순한 원칙으로 설 명할 수 있어 점액 분비에 관여하는 단백질 연구에 초석을 다 지는 계기가 되었다 그러나 분비세포내 막융합을 통한 세포 외유출 과정은 각 단계별로 체계적인 연관성과 고도의 정교 한 조절 기전을 가지고 일어나는 일련의 운송 체계로서 이러 한 단백 물질들이

8 Korean J Otorhinolaryngol-Head Neck Surg 2013;56: fusion. Curr Opin Cell Biol 1997;9(4): ) Bock JB, Scheller RH. Protein transport. A fusion of new ideas. Nature 1997;387(6629): ) Hanson PI, Heuser JE, Jahn R. Neurotransmitter release-four years of SNARE complexes. Curr Opin Neurobiol 1997;7(3): ) Behrendorff N, Dolai S, Hong W, Gaisano HY, Thorn P. Vesicleassociated membrane protein 8 (VAMP8) is a SNARE (soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor attachment protein receptor) selectively required for sequential granule-to-granule fusion. J Biol Chem 2011;286(34): ) Jones LC, Moussa L, Fulcher ML, Zhu Y, Hudson EJ, O Neal WK, et al. VAMP8 is a vesicle SNARE that regulates mucin secretion in airway goblet cells. J Physiol 2012;590(Pt 3): ) Groffen AJ, Martens S, Díez Arazola R, Cornelisse LN, Lozovaya N, de Jong AP, et al. Doc2b is a high-affinity Ca2+ sensor for spontaneous neurotransmitter release. Science 2010;327(5973): ) Regazzi R. Molecular mechanisms of exocytosis. Austin, Texas: Landers Bioscience and Springer Science+Business Media; ) Jahn R, Südhof TC. Membrane fusion and exocytosis. Annu Rev Biochem 1999;68: ) Stojilkovic SS. Ca2+-regulated exocytosis and SNARE function. Trends Endocrinol Metab 2005;16(3): ) Jung SR, Kim MH, Hille B, Koh DS. Control of granule mobility and exocytosis by Ca2+ -dependent formation of F-actin in pancreatic duct epithelial cells. Traffic 2009;10(4): ) Martin TF. Stages of regulated exocytosis. Trends Cell Biol 1997; 7(7): ) Rogers DF. Physiology of airway mucus secretion and pathophysiology of hypersecretion. Respir Care 2007;52(9): ; discussion ) Rogers DF. Airway mucus hypersecretion in asthma: an undervalued pathology? Curr Opin Pharmacol 2004;4(3): ) Evans CM, Kim K, Tuvim MJ, Dickey BF. Mucus hypersecretion in asthma: causes and effects. Curr Opin Pulm Med 2009;15(1):4-11. 정답 및 해설 답 1 해 설 다섯 가지 경우 모두 해부학적으로 OMU를 좁힐 수 있는 구조이지만 상기 환자에서는 Haller cell과 septal deviation만 관찰됨 130

Vesicleassociated membrane protein 8 (VAMP8) is a SNARE (soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor attachment protein receptor) selectively required for sequential granule-to-granule fusion.

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Microsoft Word doc KISEP Rhinology Korean J Otolaryngol 2006;49:307-12 사람정상코점막상피세포에서겔형성점소 (Gel-Forming Mucin) 분비에대한 Prostaglandin E 2 의효과 김진국 1 김창훈 2,3 김규보 2 장현종 1 김현직 2 윤주헌 2,3,4 Effect of Prostaglandin E 2 on Gel-forming