多胺的作用机理研究进展

杜红阳,常云霞,刘怀攀

多胺的作用机理研究进展

杜红阳,常云霞,刘怀攀＊

(周口师范学院生命科学系,河南周口466000)

对多胺的作用机理进行了全面综述,提出了今后的研究方向,展望了多胺的应用前景.

多胺;作用机理

高等植物中常见的多胺有腐胺(Put)、尸胺(Cad)、亚精胺(Spd)、精胺(Spm)等.多数研究表明,多胺是植物的一种生长调节因子,除参与植物的生长发育[1]、性别分化[2]、果实成熟与衰老[3]以及适应逆境[4-6]等重要生理过程外,它还参与一系列的生化过程,包括DNA的复制、转录、膜稳定、RNA和蛋白质的翻译[7]等.随着新的实验仪器和手段的出现,多胺的生理作用和功能被进一步发现,特别是近年来新发现了多胺参与调节大分子及信号转导过程,对多胺在植物体内的作用有更进一步的认识.人们对多胺的生理功能研究得很透彻并取得了可喜的成绩,前人也对其进行了系统的总结,但是对多胺的作用机理目前综述很少,本文对前人就多胺这方面的研究成果进行了全面总结,以期从中找出多胺未来研究的突破口,从而进一步丰富多胺的研究.

1 多胺的作用机理

1.1 清除活性氧机制

1.1.1 直接清除活性氧

多胺可以抑制自由基的产生,作为质子来源,可直接有效地清除超氧阴离子的自由基.早在1986年,Drolet等[8]就研究表明,无论是用黄嘌呤氧化酶产生的或是用核黄素、邻苯三酚产生的超氧阴离子,都能明显地被10和50 mmol/L的多胺(Spm,Spd,Put,Cad)抑制,而且,衰老的微粒体膜产生O-2也能被多胺抑制.从而依赖于O-2的ACC (1-氨基环丙烷-1-羧酸)向乙烯的转变途径也被抑制,并且发现清除效率决定于多胺的氨基化程度,他们也把多胺的生理功能如抑制膜脂过氧化、延缓衰老都归因于多胺对活性氧的直接清除能力.另外,Khan等[9]的工作也认为多胺对活性氧可以直接清除.

1.1.2 间接清除活性氧

多胺还可通过影响其他中间物质,特别是影响清除活性氧的酶系统和非酶系统而清除活性氧,增强植物抗逆性,延缓衰老.例如,Maccarrone等[10]报告多胺延缓细胞衰老是由于它抑制脂氧合酶活性,从而阻止膜脂的过氧化作用.谢寅峰等指出,外施Put可逆转酸胁迫引起的SOD(超氧化物岐化酶)、CAT(过氧化氢酶)活性的下降.陈坤明和张承烈[11]发现,春小麦在受到干旱胁迫时,Spd,Spm的含量与SOD和POD(过氧化物酶)活性呈正相关.刘怀攀等[12]对渗透胁迫下的玉米幼苗做实验表明亚精胺通过提高ASA(抗坏血酸)和GSH(谷胱甘肽)等抗氧化非酶物质含量而降低活性氧水平来减轻活性氧对玉米幼苗的伤害.关于多胺提高植物体内抗氧化酶的活性的机理有两方面:一方面,多胺可以诱导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.如徐仰仓等[13]对春小麦的研究表明,外源精胺既可诱导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对CAT则仅表现为诱导合成效应,而对APX(抗坏血酸过氧化物酶)的合成诱导无影响,仅表现为对已有酶的活性调节上.

1.1.3 降低活性氧的产生速率

Tadolini[14]报道多胺结合到生物膜上与膜磷脂及Fe2+形成三元复合物,从而减少了 Fe2+介导的活性氧的产生.Shen等[15]发现黄瓜幼苗叶片的游离态亚精胺通过抑制冷胁迫引起的NADPH氧化酶活性升高而抑制活性氧水平的上升,提高幼苗抗冷胁迫能力.刘怀攀[16]的研究也发现游离态亚精胺通过抑制渗透胁迫下的NADPH氧化酶活性的升高而抑制活性氧水平的上升,提高小麦幼苗抗渗透胁迫能力.

1.2 调节膜的理化性质,稳定膜结构,阻止细胞内物质的外渗

多胺通过与膜上带负电荷的磷脂头部及其他带负电荷的基团结合,影响膜的流动性,同时也间接调节膜结合酶的活性.Robes[17]等利用大豆叶微粒体膜进行的研究发现,外源多胺能与膜结合,大大降低膜的流动性.他们用多胺合成抑制剂证明内源多胺能选择性的使膜表面固相化从而保持膜的完整性.檀建新等的试验表明,喷施外源Spd能抑制水分胁迫下膜透性的增加,表明Spd有稳定质膜结构的作用[18].

1.3 多胺与DNA作用机制

1.3.1 多胺与DNA的转录

在特异表达某些基因的组织中活化基因附近mCp G较非表达组织中明显降低到30%左右,因此认为基因表达与CG甲基化程度呈负相关.C的甲基化可能加强阻遏蛋白或降低激活蛋白与DNA的结合,或因mCp G的甲基伸入DNA双螺旋结构的大沟,影响DNA与结合蛋白的相互作用;也可能由于C的甲基化使DNA双螺旋大沟中基团过分拥挤从而改变了DNA不同构象间的平衡,更多地由B-DNA变为其他构象(如Z-DNA)以扩展大沟内的空间,影响了DNA结合蛋白和相应专一序列的结合[19].多胺可以发挥信使作用激活环腺苷酸酶,从而使cAMP含量升高,激活蛋白激酶,使磷酸化酶激酶活化,最终使非组蛋白磷酸化,而磷酸化后的核蛋白靠磷酸基因的负电荷和组蛋白静电吸附,从而使组蛋白从DNA上游离下来,打开基因,进行转录.多胺也可以激活核激酶而使核蛋白磷酸化,而且Spm的这种效应远远大于其他多胺.当然也不能排除多胺直接作用于DNA从而影响其转录活性.

1.3.2 多胺和DNA的复制

Galston等[20]发现,逆境条件下分离得到的燕麦叶原生质体容易衰老,水解活性增强,而外加多胺可以诱导停留在 G1期的燕麦叶片原生质体重新启动DNA的合成,并促进有丝分裂.间接证据[21]也表明,多胺多分布在细胞分裂旺盛的生长组织内,促进生长,说明多胺与细胞分裂时DNA的复制是有一定关系的.多胺促进DNA合成可能与其稳定DNA的二级结构有关,尤其是与稳定酶-模板复合物的作用有关.此外,参与复制过程的一些蛋白质、旋转酶、引发酶及拓扑异构酶都能与多胺起交互作用,影响DNA复制[22].

1.4 多胺与蛋白质的作用机制

多胺与细胞内的蛋白质交联,发生在翻译后修饰过程中,对细胞成分的稳定具有重要作用.自Icekson和 Apelbaum[23]在植物体内首次检测到TGase的存在后,开始了植物体内多胺与蛋白质共价结合的研究.逆境胁迫下 TGase活性上升为研究逆境下多胺代谢的生理意义提供了新的出发点,游离多胺向高分子结合态转化,稳定细胞内生物大分子结构,提高抗逆性.细胞内结合态多胺的降解是由多胺氧化酶催化进行的,导致蛋白质的一部分带正电基团的释放,氧化不彻底,蛋白质没有恢复到最初状态,但却改变了蛋白质正电荷数量,这势必对蛋白质结构和功能产生影响.可见,细胞内TGase与PAO(多胺氧化酶)相互合作共同参与调控蛋白质的带电性质和交联程度,一方面参与抗逆反应,另一方面可以维持植物细胞的正常代谢.

1.5 多胺通过影响乙烯的生物合成降低活性氧水平而影响细胞衰老

乙烯作为一种植物内源激素,具有抑制植物生长、促进成熟及衰老的作用,并与逆境胁迫关系密切.SAM(5-腺苷蛋氨酸)是多胺和乙烯生物合成过程中共同的前体.研究发现,多胺抑制乙烯合成,并可抑制烟草叶片中生长素对乙烯的诱导作用,而多胺合成抑制剂MGBG(甲基乙二醛二米基腙)、DFMA(二氟甲基精氨酸)、DFMO(二氟甲基鸟氨酸)和PCMB(对氯汞苯甲酸)等则可以促进乙烯产生.ACC合酶是乙烯合成的关键酶,ACC合酶抑制剂AOA(氨氧乙酸)抑制乙烯生成的同时,伴随着Spm含量提高,表明多胺和乙烯的生物合成是相互竞争的,可能通过竞争SAM起作用,也可能是多胺也参与了ACC合酶转录水平的调节[24],可以通过对ACC合酶和ACC氧化酶的调节影响乙烯的生成.Fuhrer J等发现,多胺可以抑制外源乙烯诱导的衰老进程,这表明多胺可能还影响了乙烯的信号传导.

1.6 多胺参与逆境胁迫信号转导功能

多胺作为第二信使参与植物的逆境胁迫信号反应已被许多实验所证明[25].一定浓度的多胺可以通过调节内整流 K+通道而有效地抑制蚕豆保卫细胞的气孔开放[26],游离态腐胺也可能通过影响Ca2+,从而影响Ca2+-A TPase活性[27].多数研究偏重于细胞壁的多胺经PAO氧化产生H2O2信号分子而激发下游的信号转导事件(如超敏反应HR和系统获得性抗性 SAR)[28-29].刘怀攀[16]初步研究了在短期渗透胁迫条件下,多胺在小麦幼苗根部活性氧激发的信号转导过程中的地位,大致可能存在渗透胁迫→ABA→fPut→质膜NADPH氧化酶→活性氧→Ca2+的信号传导途径,并且fPut和NADPH氧化酶产生的活性氧以及Ca2+之间可能存在交叉对话.

2 展望

综上所述,关于多胺作用机理的研究目前已经取得一定进展,但仍有许多问题尚待探讨.关于细胞对多胺的吸收和运输机制,目前还不太清楚.关于多胺信号转导的研究初见倪端,初步证明多胺参与ABA的信号转导过程,但尚缺乏充分的证据,需要进一步研究.关于多胺合成过程中部分酶的基因已经分离,并且也转入某些植物中,但这些基因在转基因植物中却不能高效表达,为什么呢?需要进一步研究.逆境胁迫下,多胺的积累对提高植物抗逆性的确切机制以及多胺在植物衰老过程中的作用机制等等都需要有待阐明.一些学者认为,可以通过筛选出一些突变体或者是利用转基因植物来研究它们.这些突变体可以是那些衰老延迟或者是体内多胺含量很高或者很低的植物.如果搞清楚了它们之间的关系,这对研究植物的衰老机制以及成熟后的生理将有很大的帮助.而且,随着生物技术的发展,研究者可以利用遗传工程技术抑制多胺合成代谢相关的某些酶基因的表达或者是使某些合成酶过量表达,然后观察高等植物的发育变化.最终将有助于在分子水平上阐明多胺在高等植物生长发育中的作用机制.

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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

国家自然科学基金(No.30771296);河南省基础与前沿技术研究计划项目(No.082300430310)

杜红阳(1981-),女,河南邓州人,硕士,主要从事作物抗性生理和化控栽培研究,联系电话:13838603093.＊

刘怀攀(1970-),男,河南邓州人,教授,博士后,博士生导师,从事作物抗性生理研究,联系电话:15003880789, Email:liuhuaipan@yahoo.com.cn.