第三节 胞吞作用与胞吐作用

真核细胞通过胞吞( endocytosis)和胞吐( exocytosis)作用完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输，如蛋白质多核苷酸、多糖等。在转运过程中，物质包裹在脂双层膜包被的囊泡中，因此又称膜泡运输。这种运输方式常常可同时转运一种或一种以上数量不等的大分子甚至颗粒性物质，因此也有人称之为批量运输(bulk transport)。膜泡运输涉及生物膜的断裂与融合，是一个耗能的过程。所谓胞吞作用，就是细胞通过质膜内陷形成囊泡，将胞外的生物大分子、颗粒性物质或液体等摄取到细胞内，以维持细胞正常的代谢活动；而胞吐作用则是细胞内合成的生物分子(蛋白质和脂质等)和代谢物以分泌泡的形式与质膜融合而将内含物分泌到细胞表面或细胞外的过程。由于胞吐作用将在第六章详细介绍，本节主要介绍胞吞作用。

一、胞吞作用的类型

胞吞时质膜内陷脱落形成的囊泡，称胞吞泡(endo-cytic vesicle)。根据胞吞泡形成的分子机制不同和胞吞泡的大小差异，胞吞作用可分为两种类型：吞噬作用( phagocytosis)和胞饮作用( pinocytosis)(图4-14)。吞噬作用形成的吞噬泡直径往往大于250mm，而胞饮作用形成的胞饮泡直径一般小于150m。此外，所有真核细胞都能通过胞饮作用连续摄入溶液及可溶性分子，而吞噬作用往往发生于一些特化的吞噬细胞如巨噬细胞( macrophage)。 

(一)吞噬作用

吞噬作用是一类特殊的胞吞作用。通过吞噬作用形成的胞吞泡叫做吞噬体( phagosome)。对于原生生物，细胞通过吞噬作用将胞外的营养物摄取到吞噬体，最后在溶酶体中消化降解成小分子物质供细胞利用。吞噬作用是原生生物摄取食物的一种方式。在高等多细胞生物体中，吞噬作用往往发生于巨噬细胞和中性粒细胞( neutrophil)，其作用不仅仅是摄取营养物，主要是清除侵染机体的病原体以及衰老或凋亡的细胞，如人的巨噬细胞每天通过吞噬作用清除10个衰老的红细胞吞噬作用需要被吞噬物与吞噬细胞表面结合并激活细胞表面的受体，将信号传递到细胞内并引起细胞应答反应，是一个信号触发的过程。在激活吞噬作用过程中，抗体诱发的吞噬作用研究得最为清楚。当抗体与病原微生物表面结合后，暴露出尾部的Fc区域，该区域被巨噬细胞和中性粒细胞表面的Fc受体识别，从而诱发吞噬细胞质膜伸出伪足( pseudopod)，将病原微生物包裹起来形成吞噬体，最后与溶酶体融合，并在其中被各种水解酶降解(图4-15)。伪足的生成与细胞内微丝及其结合蛋白在质膜下局部装配密切相关，这装配过程需要Rho家族蛋白的GTP酶活性以及活化的Rho-GEF。

吞噬细胞表面的受体除了能识别Fc启动吞噬作用以外，目前还发现了其他几类启动吞噬作用的受体，如有些受体可以识别补体( complement)，从而与抗体道吞噬降解病原微生物；有些受体可以直接识别某些微生物表面的寡糖链；还有些受体可以识别凋亡的细胞。 

(二)胞饮作用

与吞噬作用不同的是，胞饮作用几乎发生于所有类型的真核细胞中。胞饮作用可以分为网格蛋白依赖的胞吞作用(clathrin dependent endocytosis)、胞膜窖依赖的胞吞作用(caveola dependent endocytosis)、大型胞饮作用(macropinocytosis)以及非网格蛋白/胞膜窖依赖的胞吞作用(clathrin and caveola independent endocytosis)(图4-14)。其中，了解最多的胞饮作用就是网格蛋白依赖的胞吞作用。

1.网格蛋白依赖的胞吞作用

网格蛋白( clathrin)由3个二聚体组成，每个二聚体包括1条180kDa的重链和1条35-40kDa的轻链。3个二聚体形成三脚蛋白复合体( triskelion)，是包被的结构单位。当配体与膜上受体结合后，网格蛋白聚集在膜下，逐渐形成直径50~100nm的质膜凹陷，称网格蛋白包被小窝( clathrin-coated pit)。一种小分子GTP结合蛋白—发动蛋白( dynamin)在深陷的包被小窝的颈部组装成环，发动蛋白水解与其结合的GTP引起颈部缢缩，最终脱离质膜形成网格蛋白包被膜泡( clathrin-coated vesicle)。几秒钟后，网格蛋白便脱离包被膜泡返回质膜附近区域以便重复使用。脱包被的囊泡与早期内体( early endosome)融合，从而将转运分子及胞外液体摄入细胞。在大分子跨膜转运中，网格蛋白本身并不起捕获特异转运分子的作用，有特异性选择作用的是包被中另一类衔接蛋白( adaptin)，它既能结合网格蛋白，又能识别跨膜受体胞质面的尾部肽信号( peptide signal)，从而通过网格蛋白包被膜泡介导跨膜受体及其结合配体的选择性运输(图4-16)。 

根据胞吞的物质是否具有专一性，可将胞吞作用分为受体介导的胞吞作用( receptor mediated endocytosis和非特异性的胞吞作用。受体介导的胞吞作用既是大多数动物细胞从胞外摄取特定大分子的有效途径，也是一种选择性浓缩机制( selective concentrating mechanism)，避免了摄入细胞外大量的液体。重要的例子包括动物细胞通过受体介导的胞吞作用对胆固醇的摄取、鸟类卵细胞摄取卵黄蛋白以及肝细胞摄入转铁蛋白等。某些激素如胰岛素与靶细胞表面受体结合进入细胞，巨噬细胞通过表面受体对免疫球蛋白及其复合物、病毒、细菌乃至衰老细胞的识别和摄入，以及其他些基本代谢物如合成血红蛋白所必需的维生素B12和铁的摄取，都是通过受体介导的胞吞作用进行的。受体介导的胞吞作用也可以被某些病毒所利用，流感病毒和AIDS病病毒(HⅣV)就是通过这种胞吞途径侵染细胞的。 

胆固醇是动物细胞质膜的基本成分，也是固醇类激素的前体。胆固醇主要在肝细胞中合成，是极端不溶的，它在血液中的运输是通过与磷脂和蛋白质结合形成低密度脂蛋白(ow- density lipoprotein，LDL)颗粒的形式进行。LDL是分子质量为3000kDa、直径为22nm的多分子复合物，通过与细胞表面的低密度脂蛋白受体特异地结合形成受体一LDL复合物，几分钟内便通过网格蛋白包被膜泡的内化作用进入细胞，经脱包被作用并与内体( endosome)融合。内体是动物细胞内由膜包裹的细胞器，其作用是传输由胞吞作用新摄入的物质到溶酶体。内体膜上有ATP驱动的质子泵，将H泵入内体腔中，使腔内的pH降低(pH5~6)。在此过程中，低pH环境可引起LDL与受体分离，而内体以出芽的方式形成含有受体的小囊泡，返回细胞质膜，受体重复使用。然后含有LDL的内体与溶酶体融合，低密度脂蛋白被水解，释放出胆固醇和脂肪酸供细胞利用(图4-17)。

在胞吞过程中，内体被认为是膜泡运输的主要分选站之一，其中的酸性环境在分选过程中起关键作用。已知有25种以上的不同受体，具有不同的分选信号，参与不同类型受体介导的胞吞作用。在受体介导的胞吞作用过程中，不同类型的受体具有不同的内体分选途径：①大部分受体返回它们原来的质膜区域，如上述LDL受体循环到质膜再利用；②有些受体不能再循环而是最后进入溶酶体被消化，如与表皮生长因子epidermal growth factor，EGF)结合的细胞表面受体，大部分在溶酶体被降解，从而导致细胞表面EGF受体浓度降低，这种现象称为受体下行调节(receptor down-regulation)；③有些受体被运至细胞另一侧的质膜，该过程称为跨细胞转运( transcytosis)。在具有极性的上皮细胞中，这是一种将胞吞作用与胞吐作用相结合的物质跨细胞转运方式，即转运的物质通过胞吞作用从上皮细胞的一侧被摄入细胞，再通过胞吐作用从细胞的另侧释放出去。母鼠的抗体从血液通过上皮细胞进入母乳中，乳鼠肠上皮细胞将抗体摄入体内，都是通过跨细胞转运完成的。

2.其他类型的胞饮作用

并非所有的胞吞泡的形成都需要网格蛋白的参与胞膜窖依赖的胞吞作用是目前关注较多的另一种胞饮作用。胞膜窖在质膜的脂筏区域形成，电镜观察发现有些细胞的胞膜窖呈内陷的瓶状。胞膜窖的特征性蛋白是窖蛋白，包括 caveolin-1、 caveolin-2和 caveolin-3。与网格蛋白参与的包被膜泡的形成不同，胞膜窖的形成部位位于质膜的脂筏区域。胞吞时，胞膜窖携带着内吞物，利用发动蛋白的收缩作用从质膜上脱落，然后转交给内体样的细胞器—膜窖体( caveosome)或者跨细胞转运到质膜的另一侧。在整个过程中，因为是整合膜蛋白，窖蛋白始终不会从胞吞泡膜上解离下来。由于胞膜窖所在部位含有大量信号转导的受体和蛋白激酶等，这暗示胞膜窖很可能发挥了一种细胞信号转导的平台作用。 

大型胞饮作用是另一种胞饮作用，它是通过质膜皱褶包裹内吞物形成囊泡完成胞吞作用(图4-14)。与吞噬作用类似，大型胞饮作用形成的胞吞泡也比较大，质膜皱褶的形成过程也依赖微丝及其结合蛋白。但二者有着明显的差别，如启动吞噬作用的受体往往位于特异细胞表面，而启动大型胞饮作用的受体却位于很多类型的细胞表面，而且受体还能启动其他生理功能，如有些受体就是与细胞生长相关的生长因子受体。

此外，还有非网格蛋白/胞膜窖依赖的胞吞作用如位于淋巴细胞膜上的白介素2( interleukin-2，I2)受体就是介导非网格蛋白/胞膜窖依赖的胞吞作用。

二、胞吞作用与细胞信号转导

作为真核细胞的一种重要生命活动，胞吞作用不仅调控细胞对营养物的摄取和质膜构成等，近年来发现，胞吞作用还参与了细胞信号转导，并与多种信号整合在一起，在更高层次上参与了细胞和机体组织的调控。而信号转导过程也对胞吞作用进行调控，二者相互调节彼此整合，在细胞生长、发育、代谢以及增殖等过程中发挥着重要作用

(一)胞吞作用对信号转导的下调

下调信号转导活性研究最为清楚的一个例子就是表皮生长因子及其受体的胞吞作用。EGF是一类分子量较小的胞外信号蛋白分子，能够刺激上皮细胞及其他多种细胞增殖。与LDL受体不同，当EGF受体与其配体EGF结合后，受体二聚化并引起受体胞质结构域酪氨酸残基自磷酸化而被活化，开启细胞下游信号级联反应(详见第十一章)；另一方面，细胞通过胞吞作用，将EGF受体及EGF吞入细胞内降解，从而导致细胞信号转导活性下调。这种调节作用即受体下行调节。而EGF受体的胞吞作用也受到细胞信号的调控，尽管调控的分子机制还很不清楚，但这一调控过程与受体的泛素化( ubiquitination)有关。当EGF受体与E3泛素连接酶Cbl( Casitas B- lineage lymphoma)结合后，后者催化泛素分子共价连接到受体上，从而引起泛素结合蛋白别受体上的泛素分子，并帮助受体进入网格蛋白包被小窝，启动受体内吞。

(二)胞吞作用对信号转导的激活

胞吞作用既可以下调信号转导活性，也可以激活信号转导活性。胞吞作用激活信号转导的最典型例子就是 Notch信号通路。 Notch信号是细胞与细胞间相互作用的主要信号通路之一，对多细胞生物中细胞分化命运的决定起关键作用。 Notch信号通路的功能最早发现于果蝇神经系统的发育。果蝇正常发育的神经系统通过一种旁侧抑制( lateral inhibition)机制抑制其他上皮细胞发育成神经细胞。其过程是：前体神经细胞(信号细胞)在自身质膜上表达单次跨膜信号蛋白 Delta，当该信号蛋白与邻近上皮细胞(靶细胞)表面的受体 Notch结合后，激活邻近靶细胞的 Notch途径；通过 Notch信号通路调控，邻近靶细胞就无法分化成神经细胞，而仍然保持为上皮细胞。在这一过程中，除了配体( Delta Serrate/Lag2家族，DSL)与 Notch受体结合外，信号通路的激活还依赖于DSL和 Notch的胞吞作用。首先，配体DSL与 Notch受体结合，导致 Notch暴露出其胞外S2切割位点并被裂解，胞外部分与配体被信号细胞内吞，然后， Notch受体被靶细胞内吞至内体，并在S3位点被γ分泌酶( y-Secretase)切割，产生有活性的Notch受体胞内活性片段( Notch intracellular domain， NICD)。该片段进入细胞核，调控靶基因表达，产生相应的细胞响应(图4-18)。在 Notch受体活化过程中，无论是配体在信号细胞中的胞吞作用还是受体在S2位点切割后的胞吞作用，都对最后在S3位点被y分泌酶切割产生有活性的 Notch受体胞内活性片段起到了决定性作用。当然，配体和受体的胞吞作用受泛素化等多种信号的调节。

综上所述，胞吞作用与细胞信号转导相互调节，对生命活动的调控发挥了很重要的作用。除了网格蛋白依赖性胞吞方式以外，细胞还通过非网格蛋白依赖性胞吞作用调节其他很多的细胞表面受体。不同类型的受体有不同的胞吞方式，对细胞信号调节、受体活性关闭与放大、信号持续时间长短等发挥着关键作用。

三、胞吐作用

胞吐作用与胞吞作用相反，它是通过分泌泡或其他膜泡与质膜融合而将膜泡内的物质运出细胞的过程真核细胞有从高尔基体反面网状结构(TGN)分泌的囊泡向质膜流动并与之融合的稳定过程，通过这种组成型的胞吐途径( constitutive exocytosis pathway)，新合成的蛋白质和脂质以囊泡形式连续不断地供应质膜更新，从而确保细胞分裂前质膜的生长；囊泡内可溶性蛋白分泌到细胞外，有的成为质膜外周蛋白，有的形成胞外基质组分，有的作为营养成分或信号分子扩散到胞外液。真核细胞除了这种连续的组成型胞吐途径之外，特化的分泌细胞还有一种调节型胞吐途径( regulated exocytosis pathway)，这些分泌细胞产生的分泌物(如激素、黏液或消化酶)储存在分泌泡内，当细胞在受到胞外信号刺激时，分泌泡与质膜融合并将内含物释放出去。

真核细胞无论是通过胞吞作用摄取大分子还是通过胞吐作用分泌大分子，都是通过膜泡运输的方式进行的，并且转运的膜泡只与特定的靶膜融合，从而保证了物质有序地跨膜转运。此外，当分泌泡或转运膜泡与质膜融合并通过胞吐作用释放其内含物后，会使质膜表面积增加，但发生在质膜其他区域的胞吞作用则减少其表面积，这种动态平衡过程对质膜成分的更新和维持细胞的生存与生长是必要的。有关胞吐作用的其他内容，参见本书第六章。