多胺的作用機(jī)理研究進(jìn)展

杜紅陽(yáng),常云霞,劉懷攀

多胺的作用機(jī)理研究進(jìn)展

杜紅陽(yáng),常云霞,劉懷攀＊

(周口師范學(xué)院生命科學(xué)系,河南周口466000)

對(duì)多胺的作用機(jī)理進(jìn)行了全面綜述,提出了今后的研究方向,展望了多胺的應(yīng)用前景.

多胺;作用機(jī)理

高等植物中常見(jiàn)的多胺有腐胺(Put)、尸胺(Cad)、亞精胺(Spd)、精胺(Spm)等.多數(shù)研究表明,多胺是植物的一種生長(zhǎng)調(diào)節(jié)因子,除參與植物的生長(zhǎng)發(fā)育[1]、性別分化[2]、果實(shí)成熟與衰老[3]以及適應(yīng)逆境[4-6]等重要生理過(guò)程外,它還參與一系列的生化過(guò)程,包括DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、膜穩(wěn)定、RNA和蛋白質(zhì)的翻譯[7]等.隨著新的實(shí)驗(yàn)儀器和手段的出現(xiàn),多胺的生理作用和功能被進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),特別是近年來(lái)新發(fā)現(xiàn)了多胺參與調(diào)節(jié)大分子及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程,對(duì)多胺在植物體內(nèi)的作用有更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí).人們對(duì)多胺的生理功能研究得很透徹并取得了可喜的成績(jī),前人也對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié),但是對(duì)多胺的作用機(jī)理目前綜述很少,本文對(duì)前人就多胺這方面的研究成果進(jìn)行了全面總結(jié),以期從中找出多胺未來(lái)研究的突破口,從而進(jìn)一步豐富多胺的研究.

1 多胺的作用機(jī)理

1.1 清除活性氧機(jī)制

1.1.1 直接清除活性氧

多胺可以抑制自由基的產(chǎn)生,作為質(zhì)子來(lái)源,可直接有效地清除超氧陰離子的自由基.早在1986年,Drolet等[8]就研究表明,無(wú)論是用黃嘌呤氧化酶產(chǎn)生的或是用核黃素、鄰苯三酚產(chǎn)生的超氧陰離子,都能明顯地被10和50 mmol/L的多胺(Spm,Spd,Put,Cad)抑制,而且,衰老的微粒體膜產(chǎn)生O-2也能被多胺抑制.從而依賴于O-2的ACC (1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸)向乙烯的轉(zhuǎn)變途徑也被抑制,并且發(fā)現(xiàn)清除效率決定于多胺的氨基化程度,他們也把多胺的生理功能如抑制膜脂過(guò)氧化、延緩衰老都?xì)w因于多胺對(duì)活性氧的直接清除能力.另外,Khan等[9]的工作也認(rèn)為多胺對(duì)活性氧可以直接清除.

1.1.2 間接清除活性氧

多胺還可通過(guò)影響其他中間物質(zhì),特別是影響清除活性氧的酶系統(tǒng)和非酶系統(tǒng)而清除活性氧,增強(qiáng)植物抗逆性,延緩衰老.例如,Maccarrone等[10]報(bào)告多胺延緩細(xì)胞衰老是由于它抑制脂氧合酶活性,從而阻止膜脂的過(guò)氧化作用.謝寅峰等指出,外施Put可逆轉(zhuǎn)酸脅迫引起的SOD(超氧化物岐化酶)、CAT(過(guò)氧化氫酶)活性的下降.陳坤明和張承烈[11]發(fā)現(xiàn),春小麥在受到干旱脅迫時(shí),Spd,Spm的含量與SOD和POD(過(guò)氧化物酶)活性呈正相關(guān).劉懷攀等[12]對(duì)滲透脅迫下的玉米幼苗做實(shí)驗(yàn)表明亞精胺通過(guò)提高ASA(抗壞血酸)和GSH(谷胱甘肽)等抗氧化非酶物質(zhì)含量而降低活性氧水平來(lái)減輕活性氧對(duì)玉米幼苗的傷害.關(guān)于多胺提高植物體內(nèi)抗氧化酶的活性的機(jī)理有兩方面:一方面,多胺可以誘導(dǎo)抗氧化酶的生物合成;另一方面多胺可直接作用于酶分子,提高酶活性.如徐仰倉(cāng)等[13]對(duì)春小麥的研究表明,外源精胺既可誘導(dǎo)SOD和POD的生物合成,又可直接作用于酶分子提高其活性.外源Spm對(duì)CAT則僅表現(xiàn)為誘導(dǎo)合成效應(yīng),而對(duì)APX(抗壞血酸過(guò)氧化物酶)的合成誘導(dǎo)無(wú)影響,僅表現(xiàn)為對(duì)已有酶的活性調(diào)節(jié)上.

1.1.3 降低活性氧的產(chǎn)生速率

Tadolini[14]報(bào)道多胺結(jié)合到生物膜上與膜磷脂及Fe2+形成三元復(fù)合物,從而減少了 Fe2+介導(dǎo)的活性氧的產(chǎn)生.Shen等[15]發(fā)現(xiàn)黃瓜幼苗葉片的游離態(tài)亞精胺通過(guò)抑制冷脅迫引起的NADPH氧化酶活性升高而抑制活性氧水平的上升,提高幼苗抗冷脅迫能力.劉懷攀[16]的研究也發(fā)現(xiàn)游離態(tài)亞精胺通過(guò)抑制滲透脅迫下的NADPH氧化酶活性的升高而抑制活性氧水平的上升,提高小麥幼苗抗?jié)B透脅迫能力.

1.2 調(diào)節(jié)膜的理化性質(zhì),穩(wěn)定膜結(jié)構(gòu),阻止細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的外滲

多胺通過(guò)與膜上帶負(fù)電荷的磷脂頭部及其他帶負(fù)電荷的基團(tuán)結(jié)合,影響膜的流動(dòng)性,同時(shí)也間接調(diào)節(jié)膜結(jié)合酶的活性.Robes[17]等利用大豆葉微粒體膜進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn),外源多胺能與膜結(jié)合,大大降低膜的流動(dòng)性.他們用多胺合成抑制劑證明內(nèi)源多胺能選擇性的使膜表面固相化從而保持膜的完整性.檀建新等的試驗(yàn)表明,噴施外源Spd能抑制水分脅迫下膜透性的增加,表明Spd有穩(wěn)定質(zhì)膜結(jié)構(gòu)的作用[18].

1.3 多胺與DNA作用機(jī)制

1.3.1 多胺與DNA的轉(zhuǎn)錄

在特異表達(dá)某些基因的組織中活化基因附近mCp G較非表達(dá)組織中明顯降低到30%左右,因此認(rèn)為基因表達(dá)與CG甲基化程度呈負(fù)相關(guān).C的甲基化可能加強(qiáng)阻遏蛋白或降低激活蛋白與DNA的結(jié)合,或因mCp G的甲基伸入DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的大溝,影響DNA與結(jié)合蛋白的相互作用;也可能由于C的甲基化使DNA雙螺旋大溝中基團(tuán)過(guò)分擁擠從而改變了DNA不同構(gòu)象間的平衡,更多地由B-DNA變?yōu)槠渌麡?gòu)象(如Z-DNA)以擴(kuò)展大溝內(nèi)的空間,影響了DNA結(jié)合蛋白和相應(yīng)專一序列的結(jié)合[19].多胺可以發(fā)揮信使作用激活環(huán)腺苷酸酶,從而使cAMP含量升高,激活蛋白激酶,使磷酸化酶激酶活化,最終使非組蛋白磷酸化,而磷酸化后的核蛋白靠磷酸基因的負(fù)電荷和組蛋白靜電吸附,從而使組蛋白從DNA上游離下來(lái),打開(kāi)基因,進(jìn)行轉(zhuǎn)錄.多胺也可以激活核激酶而使核蛋白磷酸化,而且Spm的這種效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他多胺.當(dāng)然也不能排除多胺直接作用于DNA從而影響其轉(zhuǎn)錄活性.

1.3.2 多胺和DNA的復(fù)制

Galston等[20]發(fā)現(xiàn),逆境條件下分離得到的燕麥葉原生質(zhì)體容易衰老,水解活性增強(qiáng),而外加多胺可以誘導(dǎo)停留在 G1期的燕麥葉片原生質(zhì)體重新啟動(dòng)DNA的合成,并促進(jìn)有絲分裂.間接證據(jù)[21]也表明,多胺多分布在細(xì)胞分裂旺盛的生長(zhǎng)組織內(nèi),促進(jìn)生長(zhǎng),說(shuō)明多胺與細(xì)胞分裂時(shí)DNA的復(fù)制是有一定關(guān)系的.多胺促進(jìn)DNA合成可能與其穩(wěn)定DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)有關(guān),尤其是與穩(wěn)定酶-模板復(fù)合物的作用有關(guān).此外,參與復(fù)制過(guò)程的一些蛋白質(zhì)、旋轉(zhuǎn)酶、引發(fā)酶及拓?fù)洚悩?gòu)酶都能與多胺起交互作用,影響DNA復(fù)制[22].

1.4 多胺與蛋白質(zhì)的作用機(jī)制

多胺與細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)交聯(lián),發(fā)生在翻譯后修飾過(guò)程中,對(duì)細(xì)胞成分的穩(wěn)定具有重要作用.自Icekson和 Apelbaum[23]在植物體內(nèi)首次檢測(cè)到TGase的存在后,開(kāi)始了植物體內(nèi)多胺與蛋白質(zhì)共價(jià)結(jié)合的研究.逆境脅迫下 TGase活性上升為研究逆境下多胺代謝的生理意義提供了新的出發(fā)點(diǎn),游離多胺向高分子結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)化,穩(wěn)定細(xì)胞內(nèi)生物大分子結(jié)構(gòu),提高抗逆性.細(xì)胞內(nèi)結(jié)合態(tài)多胺的降解是由多胺氧化酶催化進(jìn)行的,導(dǎo)致蛋白質(zhì)的一部分帶正電基團(tuán)的釋放,氧化不徹底,蛋白質(zhì)沒(méi)有恢復(fù)到最初狀態(tài),但卻改變了蛋白質(zhì)正電荷數(shù)量,這勢(shì)必對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生影響.可見(jiàn),細(xì)胞內(nèi)TGase與PAO(多胺氧化酶)相互合作共同參與調(diào)控蛋白質(zhì)的帶電性質(zhì)和交聯(lián)程度,一方面參與抗逆反應(yīng),另一方面可以維持植物細(xì)胞的正常代謝.

1.5 多胺通過(guò)影響乙烯的生物合成降低活性氧水平而影響細(xì)胞衰老

乙烯作為一種植物內(nèi)源激素,具有抑制植物生長(zhǎng)、促進(jìn)成熟及衰老的作用,并與逆境脅迫關(guān)系密切.SAM(5-腺苷蛋氨酸)是多胺和乙烯生物合成過(guò)程中共同的前體.研究發(fā)現(xiàn),多胺抑制乙烯合成,并可抑制煙草葉片中生長(zhǎng)素對(duì)乙烯的誘導(dǎo)作用,而多胺合成抑制劑MGBG(甲基乙二醛二米基腙)、DFMA(二氟甲基精氨酸)、DFMO(二氟甲基鳥(niǎo)氨酸)和PCMB(對(duì)氯汞苯甲酸)等則可以促進(jìn)乙烯產(chǎn)生.ACC合酶是乙烯合成的關(guān)鍵酶,ACC合酶抑制劑AOA(氨氧乙酸)抑制乙烯生成的同時(shí),伴隨著Spm含量提高,表明多胺和乙烯的生物合成是相互競(jìng)爭(zhēng)的,可能通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)SAM起作用,也可能是多胺也參與了ACC合酶轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)[24],可以通過(guò)對(duì)ACC合酶和ACC氧化酶的調(diào)節(jié)影響乙烯的生成.Fuhrer J等發(fā)現(xiàn),多胺可以抑制外源乙烯誘導(dǎo)的衰老進(jìn)程,這表明多胺可能還影響了乙烯的信號(hào)傳導(dǎo).

1.6 多胺參與逆境脅迫信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)功能

多胺作為第二信使參與植物的逆境脅迫信號(hào)反應(yīng)已被許多實(shí)驗(yàn)所證明[25].一定濃度的多胺可以通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)整流 K+通道而有效地抑制蠶豆保衛(wèi)細(xì)胞的氣孔開(kāi)放[26],游離態(tài)腐胺也可能通過(guò)影響Ca2+,從而影響Ca2+-A TPase活性[27].多數(shù)研究偏重于細(xì)胞壁的多胺經(jīng)PAO氧化產(chǎn)生H2O2信號(hào)分子而激發(fā)下游的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)事件(如超敏反應(yīng)HR和系統(tǒng)獲得性抗性 SAR)[28-29].劉懷攀[16]初步研究了在短期滲透脅迫條件下,多胺在小麥幼苗根部活性氧激發(fā)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中的地位,大致可能存在滲透脅迫→ABA→fPut→質(zhì)膜NADPH氧化酶→活性氧→Ca2+的信號(hào)傳導(dǎo)途徑,并且fPut和NADPH氧化酶產(chǎn)生的活性氧以及Ca2+之間可能存在交叉對(duì)話.

2 展望

綜上所述,關(guān)于多胺作用機(jī)理的研究目前已經(jīng)取得一定進(jìn)展,但仍有許多問(wèn)題尚待探討.關(guān)于細(xì)胞對(duì)多胺的吸收和運(yùn)輸機(jī)制,目前還不太清楚.關(guān)于多胺信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的研究初見(jiàn)倪端,初步證明多胺參與ABA的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程,但尚缺乏充分的證據(jù),需要進(jìn)一步研究.關(guān)于多胺合成過(guò)程中部分酶的基因已經(jīng)分離,并且也轉(zhuǎn)入某些植物中,但這些基因在轉(zhuǎn)基因植物中卻不能高效表達(dá),為什么呢?需要進(jìn)一步研究.逆境脅迫下,多胺的積累對(duì)提高植物抗逆性的確切機(jī)制以及多胺在植物衰老過(guò)程中的作用機(jī)制等等都需要有待闡明.一些學(xué)者認(rèn)為,可以通過(guò)篩選出一些突變體或者是利用轉(zhuǎn)基因植物來(lái)研究它們.這些突變體可以是那些衰老延遲或者是體內(nèi)多胺含量很高或者很低的植物.如果搞清楚了它們之間的關(guān)系,這對(duì)研究植物的衰老機(jī)制以及成熟后的生理將有很大的幫助.而且,隨著生物技術(shù)的發(fā)展,研究者可以利用遺傳工程技術(shù)抑制多胺合成代謝相關(guān)的某些酶基因的表達(dá)或者是使某些合成酶過(guò)量表達(dá),然后觀察高等植物的發(fā)育變化.最終將有助于在分子水平上闡明多胺在高等植物生長(zhǎng)發(fā)育中的作用機(jī)制.

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Study advance of function mechanism of polyamines

DU Hongyang,CHANG Yunxia,LIU Huaipan
(Biology Department,Zhoukou Normal University,Zhoukou 466000,China)

The function mechanisms of polyamine were summarized and the unanswered questions and future application in the field were also mentioned.

polyamines;function mechanism

Q945

A

1671-9476(2010)05-0088-04

2010-05-17

國(guó)家自然科學(xué)基金(No.30771296);河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目(No.082300430310)

杜紅陽(yáng)(1981-),女,河南鄧州人,碩士,主要從事作物抗性生理和化控栽培研究,聯(lián)系電話:13838603093.＊

劉懷攀(1970-),男,河南鄧州人,教授,博士后,博士生導(dǎo)師,從事作物抗性生理研究,聯(lián)系電話:15003880789, Email:liuhuaipan@yahoo.com.cn.