关于cGMP和cAMP与细胞分裂、分化及癌变关系的研究

堐榜琴 张建国

(山西生物应用职业技术学院,太原 030031;1山西亚宝药业集团肿瘤研究所,太原030031)

关于cGMP和cAMP与细胞分裂、分化及癌变关系的研究

堐榜琴 张建国1

(山西生物应用职业技术学院,太原 030031;1山西亚宝药业集团肿瘤研究所,太原030031)

将cGMP和cAMP调控细胞分裂与分化的过程,同DNA复制与转录之间联系起来,发现复制过程中cGMP浓度较高,但必须有少量cAMP协同,转录过程中cAMP浓度较高,要求cGMP浓度达到最低点。cGMP与cAMP之间存在一个相互转变的机制,细胞癌变就是二者互变机制受阻的结果。

cGMP; cAMP; 分裂与分化; 复制与转录; 癌变

cGMP(环磷酸鸟苷)和cAMP(环磷酸腺苷)是细胞信息传递的第二信使,具有相反的生理效应,前者促进细胞分裂,抑制细胞分化;后者则促进分化,抑制分裂。二者相互拮抗,相互协调,调控着细胞的增殖与分化[1],但是二者的生物效应关系又经常出现矛盾,比如细胞在分裂开始阶段,预期应该是cGMP浓度升高,cAMP浓度下降,而实际情况却总是出现相反的结果[2]。再比如人们预测癌细胞中cAMP的浓度会偏低,大多情况也确实如此,但在对G蛋白癌基因分析中,却发现肿瘤细胞中cAMP水平升高[3]。作者经过深入研究,发现 cGMP和cAMP之间的关系,平行于DNA复制与转录之间的关系,复制与转录两个过程的交替转换,恰好反映了cGMP与cAMP的浓度变化。二者之间存在着一个相互转变机制,细胞癌变与互变机制受阻、造成cGMP绝对浓度过高相关。

1 cGMP与cAMP在各种细胞表型中的变化

1.1 在正常细胞中,cGMP的浓度远远小于cAMP的浓度,通常比值在 1/10～1/100之间[4]。生理状态下cAMP的浓度为0.1～1μm。

1.2 细胞在分裂过程中,二者的浓度随细胞周期也作周期性变化,cAMP在 G1期浓度最大,在M期浓度最小,cGMP的浓度变化刚好与之相反[1]。

1.3 在肿瘤细胞中,cAMP浓度显著降低[5],cGMP浓度显著升高[6],二者比值明显下降[7]。

1.4 细胞进入老龄后,cAMP与cGMP的绝对量及活性都发生了改变,但二者的比值变化很小。这说明二者比值的变化对细胞生化行为影响更大。

以上结果虽然有矛盾的方面,但总的趋向是:cGMP增大有利于细胞增殖,cAMP增大有利于细胞分化。

2 cGMP与cAMP同DNA复制与转录的关系

细胞的分裂与分化,源于DNA复制与转录,细胞分裂必须伴有DNA的复制,而细胞分化则只需DNA的转录,可见分裂与复制相联系,分化与转录相联系。cGMP增大能够促进细胞分裂,它必然与复制有内在联系;cAMP增大能够促进细胞分化,所以它与转录相联系。

复制与转录是相互依存的关系,复制前需要转录,通过转录为复制提供必要的物质基础;复制过程中也需要转录,通过转录为新合成的DNA及时提供组蛋白;复制后更需要转录,通过转录使细胞进一步分化。复制与转录又是相互对立的,复制需要DNA聚合酶与模板DNA相结合,而转录也需要RNA聚合酶与模板DNA相结合,同一个基因片段,同时接纳两种聚合酶,同时进行复制与转录是不可能的。复制过程中合成组蛋白所需的转录,也只能在复制未进行到的基因片段进行。可见复制与转录的关系,完全体现了cGMP与cAMP之间的关系。

细胞在分裂开始阶段,也就是细胞周期的 G1期,为什么cAMP浓度会增大而不是减小呢?因为这个阶段的主要任务是为DNA复制合成必要的酶和蛋白质,从本质上说,这个过程属于转录而不属于复制,它当然要求cAMP浓度增大,cGMP浓度减小。部分癌细胞中cAMP水平升高,可能是实验细胞处于G1期。过去人们没有认识到二者之间这种内在关系,才会误认为它们的生物效应关系经常出现矛盾。

3 cGMP与cAMP影响复制与转录的生物学过程

复制与转录都需要DNA分子首先与和它相结合的组蛋白和非组蛋白相脱离,复制要求整条链脱离,而转录只需要部分脱离,这说明复制与转录有着完全不同的“脱离机制”。cGMP与cAMP正是在这方面起着决定性的作用。

cAMP可以激活蛋白激酶A,蛋白激酶A可以使所有组蛋白磷酸化,使其与DNA分子之间的结合变的松弛,更重要的是它还可以使一些不同的特异性酸性非组蛋白磷酸化。这些酸性非组蛋白正是基因上的特异去阻抑蛋白,当它磷酸化后,因酸性增强,负电荷分布发生变化,可与覆盖其上的、经过磷酸化后正电荷分布同样发生变化的碱性组蛋白作用,结果使二者均脱落,原来被遮蔽的基因完全暴露出来而显示出活性。因为不同的细胞中,DNA链各处的酸性蛋白不同,因而被激活的基因也就各异[8]。有人做过实验:将染色质与酸性非组蛋白分离后再度组合,结果发生了转录,而且通过使用不同的酸性蛋白,会引起转录量和质的改变[9]。另外,蛋白激酶A还可以使RNA聚合酶的6因子磷酸化,磷酸化后的6因子与中心酶结合形成全酶,然后与DNA结合促进转录[8]。

cGMP会促进复制,是因为它在一定浓度下会激活蛋白激酶 G,此酶属于疏基酶,它会使所有酸性非组蛋白磷酸化,同时可以使DNA聚合酶的a酶活性明显升高。另外,蛋白激酶 G可通过自身磷酸化,使其与cAMP的亲和力加大[10],降低cAMP的活性,使cGMP的活性相对增强,更有利于复制进行。

cGMP在促进复制时,也需要一定量的cAMP,通过cAMP首先使组蛋白磷酸化,然后cGMP再使酸性非组蛋白磷酸化。这就不难理解,细胞周期中cAMP的浓度为什么不是在复制的S期最低,而是在M期最低。可以得出结论:cGMP促进复制,需要一定量的cAMP的协同,而cAMP促进转录,则要求cGMP达到最低值,这正是二者最本质的关系。

4 cGMP与cAMP之间存在着相互转变机制

cGMP与cAMP浓度的变化,决定着细胞的对外表型,这就要求调控二者浓度变化的机制一定是多因素和多渠道的,而且各因素和各渠道之间必须是相互联系,相互影响的。目前认为 cGMP和cAMP水平主要由各自的环化酶和磷酸二酯酶的活性控制维持动态平衡,但是,二者的生成与水解过程却是各自独立,并没有什么必然的联系,显然完全依靠各自的生成与水解来调控二者浓度变化,是不能满足要求的。如果二者之间存在一个相互转变机制,那么,各种各样的调控都会联系起来,并最终形成一个完整的系统。事实上二者浓度总是有相互消长现象,甚至是按比例升降,这就证实了互变机制的存在。

曾有人提出:环化酶可能是一种变构蛋白,当它遇到不同的激素刺激时,会在A TP和 GTP之间选择催化底物,因而生成的不是 cGMP就是cAMP[8],然而这并不能解释一个浓度上升,另一个浓度下降的原因。比如胰岛素能降低cAMP的浓度,同时升高cGMP的浓度,人们猜测胰岛素能激活Ⅲ型磷酸二酯酶,但并未得到证实,至今cGMP上升的原因还不清楚[7],再比如已经证明:葡萄糖促进胰岛素分泌与增加β-细胞内的cAMP的浓度有关,但葡萄糖对生成cAMP的腺苷酸环化酶和分解cAMP的磷酸二酯酶均无影响,故其增加cAMP的机理不明[7],如果从影响二者的互变机制来理解,一切问题都迎刃而解。

有人在实验中已经得到了一种缺乏腺苷酸环化酶突变细胞[2]。突变需要转录,转录需要cAMP,缺乏腺苷酸环化酶的细胞,为什么会有cAMP呢?显然是通过cGMP转变而来。在体内 GMP和AMP可以通过IMP而实现互变,cGMP和cAMP之间的转变可能与之有联系。

5 细胞发生癌变原因的分析

如果细胞中cGMP转变为cAMP的通路受阻,那么细胞中cGMP的浓度就会居高不下,只要cAMP的浓度不是过低,细胞将永远处在分裂状态下,这时的细胞就发生了癌变。细胞分化要求cGMP必须达到最低值,在癌细胞中由于cGMP浓度居高不下,所以癌细胞总是低分化,或分化不完全。cGMP的绝对浓度越高,分化程度就越低,恶性程度就越高。

cGMP转化为cAMP的通路是十分复杂的,但是已经注意到:葡萄糖具有降低cGMP,升高cAMP的作用,或者说能促进cGMP向cAMP转化,已有报道证实:葡萄糖具有抗癌功效。这一事实至少说明三个重要问题:①葡萄糖是cGMP转化为cAMP的重要调节物质;②癌细胞中cGMP转化为cAMP的通路并未受到不可逆损伤;③癌变与细胞中葡萄糖的有效浓度过低有关。癌细胞对糖摄入量的急剧增加,是癌细胞自身抗癌的一种应急反应[11],但被摄入的糖大部分通过酵解而被消耗,实际用以影响cGMP向cAMP转化的葡萄糖净浓度,还是远远低于正常细胞,这便是细胞癌变是本质。已经有人提出:癌细胞中的葡萄糖在转化为磷酸丙糖时,磷酸丙糖被进一步转化为甲基乙二醛,甲基乙二醛又被乙二醛酶转化为D-乳酸,而D-乳酸又会激活乙二醛酶[12]。可见癌细胞中大量的葡萄糖被转化为D-乳酸,葡萄糖的实际浓度在不断下降,其浓度远远低于正常细胞。在长时间给以大量葡萄糖的同时,再给以乙二醛酶活性抑制剂,将是根治癌症的一条新途径。

[1]罗深秋.医用细胞生物学,军事医学科学出版社,1998,176

[2]A.C.布朗,杨松榆译,癌生物学,科学出版社,北京,1978,130

[3]孙靖中.肿瘤分子生物学,人民卫生出版社,北京,1998,104

[4]南京药学院,生物化学,人民卫生出版社,北京,1982,112

[5]洪秀维,林爱珍,叶庆林,等,癌组织的cAMP、cGMP和cAMP/cGMP的变化,实用癌症杂志,1995,10(2):79

[6]Deruberts FR,et al.The content and metabolism of cyclic guanosine 3’,5’—monophosphate and adenosine 3’,5’—monophosphate in adenocarcinoma of the human colon.J Clin Invest 1986,57:85

[7]Goldberg NP.cGMP and cAMP in biological regulation.Progress in Cancer Research and Therapy.Vol 1.New York.Raven press 1976:99

[8]上海第一医学院,医用生物化学,人民卫生出版社,北京,1979,1205,660-669,639-632

[9]G.B.皮尔斯等,章静波译,癌——一个发育生物学问题,科学出版社,北京,1981,73-160

[10]刘景生,细胞信息与调控,北京医科大学、中国协和医科大学联合出版社,北京,1998,175-177

[11]安德烈·莫瑞兹,皮海蒂译,癌症不是病——它是一种身体的求生机制,湖南人民出版社,长沙,2009,3

[12]堐榜琴,张建国。乳酸脱氢酶同工酶构象改变引发癌,中国肿瘤临床与康复,1998,5(4):封页

R329

A

10.3870/zgzzhx.2011.01.021

2010-10-10

2010-12-01

堐榜琴,女(1958年),汉族,教授。

＊通讯作者(To whom correspondence should be addressed)