多胺在微生物中的研究進(jìn)展

姚響文 周密 曹穎瑛 姜遠(yuǎn)英

(第二軍醫(yī)大學(xué)藥學(xué)院新藥研究中心，上海 200433)

多胺是一類小分子帶正電荷的脂肪族類化合物，廣泛存在于原核生物和真核生物體內(nèi)［1］，主要包括腐胺 (putrescine)、亞精胺 (spermidine)、精胺(spermine)和尸胺 (cadaverine)。研究表明，多胺是生物體內(nèi)普遍存在并能夠發(fā)揮重要功能的物質(zhì)［2］，由于多胺結(jié)構(gòu)中含有氨基，因此能夠?yàn)樯矬w提供氮源并維持體內(nèi)酸堿環(huán)境的穩(wěn)定，除此之外，多胺在DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯方面也發(fā)揮重要作用，能夠調(diào)控細(xì)胞增殖和分化，進(jìn)而影響細(xì)胞的功能。在微生物體內(nèi)，多胺的攝取、合成和降解過程是與胞內(nèi)多胺含量密切相關(guān)，若細(xì)胞內(nèi)多胺含量較低甚至是缺乏多胺能夠?qū)е录?xì)胞生長(zhǎng)停止［3-4］，而細(xì)胞內(nèi)多胺含量過多則會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞毒效應(yīng)，提示微生物體內(nèi)存在著一個(gè)嚴(yán)格的多胺含量調(diào)控系統(tǒng)，精確調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)多胺水平，用以維持生物體的正常生理需求。近幾年有關(guān)多胺及其在人類病原微生物的生長(zhǎng)和毒力方面的研究越來越深入，本文主要從微生物中多胺的代謝、轉(zhuǎn)運(yùn)以及生理功能等方面入手，對(duì)目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)多胺的研究進(jìn)行歸納總結(jié)，為闡明多胺在微生物中的作用提供較為豐富的資料。

1 多胺結(jié)構(gòu)及其在微生物中的合成代謝

氨基是多胺結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要特點(diǎn)，腐胺和尸胺是含有兩個(gè)氨基的二胺類，而亞精胺和精胺分別含有三個(gè)和四個(gè)氨基(具體結(jié)構(gòu)見圖1)。與Mg2+和Ca2+等無機(jī)陽(yáng)離子不同，多胺陽(yáng)離子是分布在可翻轉(zhuǎn)碳鏈上的可變正電荷，并且這種分布是有嚴(yán)格空間間隔排列的，而無機(jī)多價(jià)陽(yáng)離子則表現(xiàn)為點(diǎn)狀電荷。正是由于這種獨(dú)一無二的電荷構(gòu)象，多胺可以與帶負(fù)電的分子形成電偶，其結(jié)合能力隨電荷數(shù)的增加而增加 (腐胺＜亞精胺＜精胺)。研究表明，多胺的大部分生物學(xué)功能是通過與DNA、RNA和蛋白質(zhì)等帶負(fù)電的生物分子的靜電反應(yīng)來完成的。

腐胺、亞精胺、精胺和尸胺是細(xì)胞內(nèi)最廣泛分布的多胺，是原核生物和真核生物細(xì)胞生長(zhǎng)、分化和增殖的必需元素。研究發(fā)現(xiàn)各個(gè)多胺在微生物體內(nèi)的含量是不同的，在大多數(shù)細(xì)菌中，細(xì)胞內(nèi)亞精胺 (1～3 mmol/L)含量高于腐胺 (0.1～0.2 mmol/L)，但是在大腸桿菌中，腐胺是最主要的多胺，約為 10～30 mmol/L，而亞精胺只有 1～3 mmol/L［5］。精胺在細(xì)菌中的存在尚不明確，研究表明雖然大腸桿菌自身無法合成精胺，但是在實(shí)驗(yàn)室條件下外源添加的精胺可以滿足大腸桿菌正常情況下對(duì)于多胺的需求［6］。尸胺是細(xì)菌中含量最少的多胺，并不存在于大腸桿菌中，但是大腸桿菌能夠在存在前體賴氨酸的酸性環(huán)境中或者是腐胺無法合成的條件下在厭氧生長(zhǎng)過程中合成尸胺。

微生物體內(nèi)多胺的合成主要通過鳥氨酸或其他中間體的直接脫羧反應(yīng)來完成。在真菌和細(xì)菌等微生物體內(nèi)存在兩條合成腐胺的通路，前體分別是 L-鳥氨酸和 L-精氨酸［7］。前者 L-鳥氨酸在鳥氨酸脫羧酶 (Ornithine Decarboxylase，ODC)催化下脫羧生成腐胺，后者L-精氨酸在精氨酸脫羧酶作用下脫羧形成胍丁胺，進(jìn)而在胍丁胺脫氨酶作用下經(jīng)過一系列變化生成腐胺［8］(見圖2～3)。腐胺在亞精胺合成酶的作用下接受氨丙基生成亞精胺，亞精胺在精胺合成酶的作用下接受氨丙基生成精胺。同時(shí)，微生物體內(nèi)還存在另一條途徑來影響亞精胺和精胺的合成，S-腺苷甲硫氨酸合酶能夠?qū)⒓琢虬彼徂D(zhuǎn)換成S-腺苷甲硫氨酸 (S-adenosyl methionine，SAM)，SAM 在 SAM 脫羧酶作用下脫去羧基變?yōu)槿ヴ然鵖AM，其為亞精胺和精胺合成輔助因子，能夠在亞精胺合酶和精胺合酶作用下合成亞精胺和精胺。

圖1 多胺結(jié)構(gòu)示意圖:a.腐胺，b.亞精胺，c.精胺，d.尸胺 圖2 真菌中多胺合成通路 圖3 細(xì)菌中多胺合成通路Fig.1 Structures of putrescine，spermidine，spermine，and cadaverine Fig.2 The main pathways of polyamines biosynthesis in fungi Fig.3 The main pathways of polyamines biosynthesis in bacteria

已有報(bào)道表明，微生物體內(nèi)存在完整的多胺調(diào)節(jié)機(jī)制用以維持體內(nèi)多胺水平平衡，包括多胺的合成、逆向互變、吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、降解等多個(gè)環(huán)節(jié)。研究報(bào)道，微生物能夠通過多個(gè)環(huán)節(jié)來調(diào)節(jié)多胺合成關(guān)鍵酶ODC的活性。腐胺和亞精胺都能夠可逆性地抑制ODC活性。大腸桿菌中cAMP和cAMP受體蛋白復(fù)合體能夠在轉(zhuǎn)錄水平抑制ODC活性［9］。細(xì)胞內(nèi)較高濃度的亞精胺和腐胺也可抑制精氨酸脫羧酶的活性［10］。同時(shí)研究報(bào)道，大腸桿菌中一定濃度的亞精胺也能夠抑制SAM脫羧酶活性，用以維持細(xì)胞內(nèi)亞精胺含量的穩(wěn)定［11］。

2 多胺在微生物中的轉(zhuǎn)運(yùn)

多胺轉(zhuǎn)運(yùn)包括多胺的吸收和排瀉系統(tǒng)，這兩方面在維持體內(nèi)多胺水平平衡方面發(fā)揮重要作用。大腸桿菌中腐胺的吸收是依賴于質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)能，同時(shí)細(xì)胞也能夠?qū)Ⅲw內(nèi)過多的腐胺通過排泄系統(tǒng)排泄到環(huán)境中，用以維持細(xì)胞內(nèi)腐胺含量的穩(wěn)定，而亞精胺不能被細(xì)胞排泄系統(tǒng)排泄。在酵母、大腸桿菌等微生物體內(nèi)均發(fā)現(xiàn)多胺轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，并且這種轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的結(jié)構(gòu)高度保守，這表明微生物體內(nèi)的多胺轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)是其自身生存所必需的功能系統(tǒng)，能夠?yàn)槲⑸锾峁┮粋€(gè)有利的生存條件。

最近研究表明，微生物中多胺轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是多胺特異性或多胺優(yōu)先性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白［12］。大腸桿菌的多胺轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)包括兩個(gè)ABC(ATP-binding cassette)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白并且這兩個(gè)蛋白是對(duì)腐胺和亞精胺有選擇性的。除此之外，還存在腐胺和尸胺的反向轉(zhuǎn)運(yùn)體和單輸送體。大腸桿菌中對(duì)外源多胺的吸收能力為:腐胺 ＞ 亞精胺 ＞ 精胺［13］。釀酒酵母中TOP1-TOP4四個(gè)基因編碼多胺排泄蛋白，TOP1和TOP4可以轉(zhuǎn)運(yùn)腐胺、亞精胺和精胺，而TOP2和TOP3只能特異性地轉(zhuǎn)運(yùn)精胺［14-16］。同時(shí)已知UGA4能夠?qū)⒏忿D(zhuǎn)運(yùn)至液泡中，而TOP5能夠?qū)⒏泛蛠喚忿D(zhuǎn)運(yùn)至高爾基體上［17-18］。同時(shí)，蛋白激酶也被報(bào)道能夠增加多胺的吸收。在酵母細(xì)胞中，多胺轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白激酶2能夠激活蛋白Dur3，Dur3能夠與尿素共同作用催化多胺的吸收［19］。

微生物能夠通過7多胺吸收系統(tǒng)來吸收環(huán)境或宿主體內(nèi)的多胺，這一發(fā)現(xiàn)表明無法自身合成多胺的突變病原微生物可以通過吸收攝取宿主體內(nèi)的多胺來維持自身的正常生存。因此，病原微生物可能通過吸收宿主體內(nèi)的多胺來應(yīng)對(duì)藥物的刺激，由此產(chǎn)生對(duì)藥物的耐受性。這表明可以通過抑制多胺轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)來達(dá)到降低或是完全消除病原微生物的毒力和侵襲力的目的，多胺轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)很可能成為抗微生物藥物作用的的新靶點(diǎn)。

3 多胺在細(xì)胞增殖和分化中的作用

在釀酒酵母等微生物體內(nèi)，多胺是細(xì)胞生長(zhǎng)所必需的元素。除此之外，多胺在調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖和分化方面也發(fā)揮重要作用，大腸桿菌中多胺能夠通過核糖體調(diào)節(jié)因子刺激相關(guān)蛋白的合成，進(jìn)而調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖過程。研究發(fā)現(xiàn)，大腸桿菌指數(shù)生長(zhǎng)后期細(xì)胞內(nèi)腐胺和亞精胺的含量低于指數(shù)生長(zhǎng)前期，這可能與核糖體的功能相關(guān)。核糖體作為多胺的主要結(jié)合位點(diǎn)，在指數(shù)生長(zhǎng)后期細(xì)胞內(nèi)的含量低于指數(shù)生長(zhǎng)前期。因此有更多的游離型的亞精胺增加，這些游離型的亞精胺能夠抑制SAM脫羧酶和鳥氨酸脫羧酶的活性。因此，在指數(shù)生長(zhǎng)后期細(xì)胞內(nèi)多胺含量會(huì)降低。有研究表明，高濃度的多胺是真菌細(xì)胞分化的必要條件之一［20］，多胺代謝的變化能夠決定真菌細(xì)胞形態(tài)的改變。腐胺合成特異性抑制劑DAB在一定濃度上并不影響宿主生長(zhǎng)代謝，但是能夠特異性地抑制真菌孢子出芽，形成以及形態(tài)轉(zhuǎn)化。同時(shí)，鳥氨酸脫羧酶抑制劑DFMO能夠影響真菌附著器的生長(zhǎng)，孢子出芽和菌絲形成。

白念珠菌是最常見的條件致病真菌，具有兩型性，即存在酵母態(tài)和菌絲態(tài)兩種形態(tài)，并且這種形態(tài)模式是與其毒力密切相關(guān)，菌絲態(tài)的白念珠菌毒力遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于酵母態(tài)。Herrero等發(fā)現(xiàn)，ODC缺失的白念珠菌中，多胺含量很低。這種缺失菌在0.01 mmol/L腐胺存在的條件下，全部生長(zhǎng)為酵母形態(tài)，而在含有10 mmol/L腐胺的環(huán)境中，可以回復(fù)缺失菌從酵母態(tài)向菌絲態(tài)轉(zhuǎn)化的能力，表現(xiàn)為可以生長(zhǎng)為菌絲形態(tài)，毒力增強(qiáng)。這一研究表明，多胺可以控制白念珠菌菌絲的形成，在白念珠菌形態(tài)轉(zhuǎn)化方面發(fā)揮多效性作用［21］。

4 多胺與核酸和細(xì)胞膜相互作用

多胺結(jié)構(gòu)中含有氨基帶正電荷，可以與微生物體內(nèi)的DNA和RNA等帶負(fù)電荷的生物大分子相結(jié)合。研究發(fā)現(xiàn)，多胺能夠通過電荷作用，與DNA相結(jié)合，穩(wěn)定DNA結(jié)構(gòu)和功能，影響DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯，從而影響細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能［22］。

同時(shí)，發(fā)現(xiàn)多胺可以與RNA相結(jié)合成為一個(gè)復(fù)合體，這一復(fù)合體可以與Mg2+共同發(fā)揮作用用以穩(wěn)定RNA結(jié)構(gòu)。事實(shí)上，多胺能在體外環(huán)境中單獨(dú)與Mg2+合作加速蛋白的合成。多胺與RNA結(jié)合能夠引起結(jié)構(gòu)的獨(dú)特改變，這種改變能夠更加穩(wěn)定RNA的結(jié)構(gòu)，有助于RNA功能的穩(wěn)定發(fā)揮。多胺也能夠通過改變核糖體上tRNA結(jié)構(gòu)和活性，增加蛋白質(zhì)合成中密碼子翻譯的準(zhǔn)確度［23］。另有研究表明，充足的腐胺能夠使不能合成tRNA的弗氏志賀突變菌恢復(fù)毒力基因的表達(dá)。這表明，腐胺和毒力基因mRNA存在一個(gè)直接相互作用，從而能夠?qū)е赂行У霓D(zhuǎn)錄以及毒力基因的準(zhǔn)確表達(dá)［24］。

最近研究發(fā)現(xiàn)，無論外源性或內(nèi)源性多胺對(duì)維持組織細(xì)胞膜的功能性和完整性方面尤為重要。多胺在細(xì)菌外膜功能上扮演重要角色，主要依賴于孔蛋白的作用?？椎鞍资强缒ね慈垠w，能夠允許革蘭氏陰性細(xì)菌外膜的親水性物質(zhì)的擴(kuò)散。大腸桿菌中孔蛋白OmpC和OmpF能夠以特定跨膜電壓依從性方式與一定濃度的多胺相互作用。腐胺和亞精胺能夠結(jié)合OmpC和OmpF的天冬氨酸殘基，改變電荷和孔徑，導(dǎo)致通道關(guān)閉和外膜通透性的降低［25］。同時(shí)，多胺還參與細(xì)胞膜成分的構(gòu)建，在包括大腸桿菌在內(nèi)的一些革蘭陰性細(xì)菌的外膜上有腐胺的成分參與［26］。研究表明尸胺能夠降低細(xì)胞膜蛋白介導(dǎo)的β-內(nèi)酰胺抗生素的外排，這對(duì)于細(xì)菌對(duì)此類抗生素敏感性降低和選擇性耐藥菌株增加有重要意義。

5 多胺在生理應(yīng)激反應(yīng)中作用

生理應(yīng)激反應(yīng)存在于微生物的整個(gè)生命過程中，包括氧化應(yīng)激、硝酸化刺激以及酸堿等環(huán)境刺激。微生物為了應(yīng)對(duì)體內(nèi)的氧化應(yīng)激，會(huì)誘導(dǎo)包括特定蛋白合成在內(nèi)的自身保護(hù)功能。活性氧能夠引起DNA雙鏈斷裂，以及基本骨架的改變。超氧化物歧化酶(SOD)能夠保護(hù)細(xì)胞內(nèi)核酸應(yīng)對(duì)超氧離子等氧化物質(zhì)對(duì)其的損傷。精胺和亞精胺能夠作為氧自由基的直接清除劑與SOD聯(lián)合作用，減少氧自由基對(duì)DNA雙鏈的損傷［27］。

研究表明，細(xì)菌中多胺介導(dǎo)的對(duì)抗氧化應(yīng)激的的機(jī)制包括三方面:①多胺可以通過電荷作用與DNA直接結(jié)合，保護(hù)DNA的結(jié)構(gòu)完整。②多胺可以作為活性氧的直接清除劑，清除活性氧，保護(hù)細(xì)胞內(nèi)核酸。③多胺能夠誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)類似SOD的保護(hù)性酶的合成和功能發(fā)揮，用以保護(hù)細(xì)胞應(yīng)對(duì)氧化刺激。

Bower等研究發(fā)現(xiàn)，多胺能夠介導(dǎo)大腸桿菌應(yīng)對(duì)外界環(huán)境中的硝酸化刺激。cadC基因是大腸桿菌硝酸化應(yīng)激耐受基因，在cadC缺失菌中，胞內(nèi)尸胺的含量明顯降低，而且對(duì)酸化亞硝酸鹽的敏感性明顯增加。外源性添加尸胺和其他多胺能夠使cadC缺失菌在硝酸化環(huán)境中正常生長(zhǎng)。在酸化亞硝酸鹽中，野生型菌株中尸胺含量明顯增加。雖然多胺介導(dǎo)的大腸桿菌應(yīng)對(duì)硝酸化刺激的機(jī)制尚不明確，但是這種作用機(jī)制絕不是單獨(dú)的活性氮清除機(jī)制［28］。

研究發(fā)現(xiàn)，多胺在微生物應(yīng)對(duì)酸性環(huán)境刺激中也發(fā)揮了重要作用。腸道病原微生物和正常菌群能夠在營(yíng)養(yǎng)匱乏的條件下在酸性環(huán)境中生存，這有賴于多胺發(fā)揮的重要作用。大腸桿菌中多胺可以通過減少細(xì)胞內(nèi)cAMP水平來調(diào)節(jié)gadA和gadB基因的表達(dá)，gadA和gadB基因編碼谷氨酸脫羧酶，谷氨酸脫羧酶能夠增加細(xì)菌在酸性環(huán)境中的耐受力。因此多胺可以通過調(diào)控gadA和gadB的表達(dá)，進(jìn)而來影響大腸桿菌對(duì)酸性環(huán)境的敏感性;在不能合成多胺的多胺缺失菌中，由于gadA和gadB基因不能正常表達(dá)，導(dǎo)致其無法正常合成谷氨酸脫羧酶，因此表現(xiàn)出在酸性環(huán)境中較弱的生存能力［29］。另有研究表明，外源添加賴氨酸能夠激活相應(yīng)的多胺啟動(dòng)子，表達(dá)賴氨酸脫羧酶，與谷氨酸脫羧酶聯(lián)合，能夠升高外界環(huán)境的PH，促使細(xì)胞能夠忍受更惡劣的環(huán)境。

6 小 結(jié)

多胺廣泛存在于原核生物和真核生物體內(nèi)，并在細(xì)胞生物學(xué)方面發(fā)揮重要作用。微生物體內(nèi)多胺的代謝、轉(zhuǎn)運(yùn)以及一些重要酶類活性的變化，都將影響到細(xì)胞的生長(zhǎng)和功能的發(fā)揮。雖然多胺在微生物中的代謝途徑和部分功能已經(jīng)明確，但是它們?cè)谖⑸锔腥镜陌l(fā)病機(jī)制方面的作用尚不清楚，最近一些研究證據(jù)強(qiáng)調(diào)了多胺在病原體發(fā)病機(jī)制、存活能力和毒力方面的作用。隨著多胺在微生物中的代謝信息被不斷挖掘，多胺會(huì)成為阻止和治療微生物感染疾病的潛在重要靶點(diǎn)。

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