多胺参与细胞程序性死亡调控的研究进展

摘要：多胺被认为是影响细胞存活的一个关键分子。有证据显示，多胺可直接或间接参与细胞程序性死亡的调控。多胺与细胞程序性死亡直接相关，是指其参与特定的生物学过程及与导致细胞程序性死亡的分子/结构发生相互作用；间接相关，是指多胺通过调控细胞程序性死亡的代谢衍生物，如异化和互变产物来调控这一过程。此外，多胺代谢过程中的细胞毒性产物也参与到细胞程序性死亡的级联反应中。因此，对动植物中依赖于多胺的细胞程序性死亡的最新研究进展进行综述，可为进一步研究提供一些参考。

关键词：多胺；细胞程序性死亡；超敏反应；过氧化氢

中图分类号：Q255 文献标识码：A 文章编号：1007-7847（2015）03―0242-04

众所周知，多胺（polyamine）是一类广泛存在于生物体，具有强生物活性的低分子脂肪族含氮碱。研究发现，多胺与活性氧一样，可影响动植物细胞程序性死亡（programmed cell death，PCD）过程，且目前已在多种细胞系中证实多胺的耗损可诱导细胞程序性死亡；但也有报告发现了与此截然相反的结果，如Del Duca等研究发现多胺水平升高可引起细胞的凋亡障碍，从而导致恶性转化[1]。这种与多胺相关的细胞程序性死亡很可能是细胞固有的复杂调控机制，本文将多胺参与细胞程序性死亡的最新研究进展综述如下，为相关研究提供一些参考。

1 多胺的代谢

高等植物体内主要有5种多胺，即丁二胺（ Pilt）、亚精胺（Spd）、精胺（Spm）、尸胺（Cad）及热精胺（ t-Spm），而动物缺少热精胺。由于多胺与一些重要的生理学功能相关，如发育、离子通道、膜流动性、蛋白调控、氮：碳平衡调控及应激反应等，因而维持细胞内多胺水平的稳态至关重要[2，3]。而多胺代谢、接合作用、互变现象、化学修饰及运输是维持生物体内多胺平衡的五大决定性因素，其中又以多胺的代谢为最。

近期研究发现，多胺与细胞程序性死亡密切相关，但多胺产生的效应十分复杂，对生物合成和分解代谢中酶的活性，既有诱导作用，又有抑制作用，并由此造成细胞凋亡的增减。

1.1 多胺的合成代谢

目前已知的多胺合成途径有两条：一条是鸟氨酸通过鸟氨酸脱羧酶（ornithine decarboxylase，ODC）脱羧直接形成，这亦是几乎所有的有机体共享的多胺生物合成途径；另一条是在植物和细菌中所特有的途径，即精氨酸经过精氨酸脱羧酶（arginine deCarboxylase，ADC）的催化形成鲱精胺，鲱精胺水解成N-氨甲基腐胺（N-methyl putres-clne ammonia，NCP），再在亚精胺合成酶（spermi-dine synthase）及精胺合成酶（spermine synthase）的作用下，经氨丙基化生成亚精胺和精胺。值得注意的是，在植物体内，氨丙基是由S-腺苷甲硫氨酸脱羧酶（S-adenosylmethlonine decarbox-ylase，SAMDC）脱羧基产生的。SAMDC除了作为甲基的供体外，也是多胺和乙烯合成的共同前体，被认为是多胺合成途径的调节者，其活性还是动植物体多胺生物合成的限速因素。

1.2 多胺的分解代谢

多胺氧化酶（polyamine oxidase，PO）和二胺氧化酶（diamine oxidase，DO）是调控多胺分解代谢的两种重要胺氧化酶（amine oxidases，AOS）c3]。在拟南芥中，胺氧化酶途径中有一些功能冗余的基因，如Planas-P ortell等证实拟南芥中含有至少10种多胺氧化酶基因，已被命名的4种分别为AtAOl、AtCuAOl、AtCuA02及AtCuAO；止匕外，还有5种二胺氧化酶基因（AtPAOl-AtPA05）。其中，多胺氧化酶与亚精胺和精胺的亲和力较低，主要氧化丁二胺和1，5-戊二胺，多胺氧化酶可分解丁二胺释放出吡咯啉、H202和氨（NH，）；二胺氧化酶可氧化亚精胺和精胺，但并不氧化丁二胺，植物二胺氧化酶催化多胺的分解代谢，从亚精胺和精胺中释放出吡咯啉、丙二胺及H202[4]。值得注意的是，多胺分解代谢过程中产生的这些细胞毒性多胺异化产物，是多胺间接参与细胞程序性死亡的重要成分。由于精胺氧化酶途径在动植物体内是保守性进化的，AtPAOl可能是精胺氧化酶在植物体内的类似物。精胺氧化酶由肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）诱导产生，同样地，AtPAOl在正常条件下无法被检测到，推测其可能也是经诱导产生的，但其产生的具体机制尚不明确[5]。此外，de Alencastro等研究发现，精胺合成酶在人体中的缺失可造成智力障碍（Snyder-Robinson综合征）[6]。

2 多胺在细胞程序性死亡中的直接作用 研究发现，多胺可通过参与特定的生物学过程及与导致细胞程序性死亡的分子/结构发生相互作用直接诱导细胞程序性死亡：1）通过调控离子通道诱导细胞程序性死亡。如Weisell等研究发现，多胺及其类似物可在缺乏H202或氨基乙醛等媒介因子的情况下，通过调控离子通道直接导致细胞程序性死亡[7]；Duan等研究证实，精胺可直接调控神经细胞酸敏感离子通道（acid sensitivityion channels，ASICs）从而导致细胞程序性死亡[8]。值得注意的是，K+流出虽然可有效降低细胞凋亡容积，但与此同时，低K+浓度又形成了一个有利于caspases及核酸内切酶活性发挥的内环境。如，Zepeda-Jazo等研究发现，植物体内的低K+浓度可激活meta-caspases及内切酶，促进活性氧和盐诱导的细胞程序性死亡[9]。2）通过线粒体调控途径诱导细胞程序性死亡。如Pottosin等研究发现，在肿瘤细胞系中，药物引起的多胺耗损可通过线粒体调控途径诱导细胞程序性死亡，这种耗损诱导了染色质凝聚及DNA断裂，但可通过添加外源性多胺来进行逆转[10]。但Zou等却得出了与此截然相反的结论，他们用DMSO处理大鼠小肠血管内皮细胞IEC-6诱导了抗凋亡蛋白Bcl-2和Bcl-xL的表达[11]。此外，虽然植物中多胺对细胞程序性死亡中的直接作用还未见报道，但遗传学研究已强调了它们的重要意义。

3 多胺在细胞程序性死亡中的间接作用

多胺除了可通过以上途径直接诱导细胞程序性死亡外，还可通过氧化作用产生异化产物间接诱导细胞程序性死亡。目前已有证据证实植物细胞中多胺氧化作用的存在，如M-M等证实，烟草作物中质外体多胺氧化酶执行了细胞程序性死亡[12]哺乳动物细胞程序性死亡则与细胞毒性多胺异化产物如H202、氨基乙醛的水平有直接的关系。如Chaturvedi等研究发现，幽门螺杆菌感染细胞后，精胺氧化酶的表达增加，若使用精胺氧化酶特异性抑制剂或将精胺氧化酶基因敲除，DNA损伤和H202的生成将显著降低，证实由多胺代谢生成的H2O2与细胞程序性死亡相关[13]Song等使用超敏反应一细胞程序性死亡（ hypersensitivity-pro-grammed cell death，HR-PCD）模型研究与病原菌感染相关的细胞程序性死亡和多胺之间的关系时发现，机体被病原菌感染后，产生活性氧并导致感染细胞发生HR-PCD以限制病原菌的继续入侵。在超敏反应发生时，多胺氧化途径被认为是活性氧的主要来源。在烟草细胞中，将质外体中多胺氧化酶敲除或使用药物抑制多胺的生物合成可在一定程度上抑制HR_PCD[14]；在动植物中，病原菌的感染可上调多胺的生物合成。如Kim等研究发现，幽门螺杆菌感染进一步增加了多胺在肠道巨噬细胞的生物合成，巨噬细胞精胺氧化酶产生了H202和有毒的氨基醛、3-氨基丙醛。由此证实，幽门螺杆菌感染后诱导机体产生的精胺氧化酶导致了肠道巨噬细胞程序性细胞死亡[15]

4 多胺诱导的细胞程序性死亡在生物发育中的作用

在胚胎发育过程中，由胺氧化酶催化的多胺氧化作用及产生的H202导致的细胞程序性死亡可能是一次重要的组织重塑。如Wu等证实，多胺对动物胚胎发育是至关重要的，敲除多胺基因将会导致胚胎发育停滞[16]；Wu等还提出一种假设，即在哺乳动物囊胚中，H202导致了滋养外胚层细胞的凋亡，这是发育过程中的第一次凋亡[16]。虽然迄今为止还没有足够的证据来证实多胺诱导的细胞程序性死亡在胚胎发育中的作用，但多胺的分解代谢在成年有机体的细胞程序性死亡中的作用已被广泛研究。如Suppola等研究Nl-亚精胺/精胺乙酰转移酶（Nl-Spd/Spm acetyl-transferase，SSAT）在小鼠体内过表达时发现，其可在重金属诱导的启动子的作用下募集丁二胺，同时耗尽亚精胺和精胺；而在烟草植物中，过表达质外体多胺氧化酶往往伴随着木质部过早的细胞程序性死亡[17]。有意思的是，Tisi等对玉米根尖端补充外源性亚精胺导致了其细胞周期分布的改变，造成细胞周期阻滞并诱导细胞程序性死亡；另外，木质部过早的细胞程序性死亡阻碍了次生细胞壁的正确分化。然而，H202去除剂能部分恢复亚精胺诱导的效果[18] ；此外，Moschou等研究发现，4-氨基丁醛作为亚精胺的一种氧化产物，无法模拟亚精胺的效果，表明由多胺氧化酶代谢而来的H202独立于氨基乙醛且足以诱导细胞程序性死亡[l9] 。

细胞程序性死亡也是植物胚胎发育的一个重要特性。众所周知，丁二胺和亚精胺是植物胚胎发育所必需的，但多胺是否是在这个阶段促进了细胞程序性死亡尚不清楚。但Vuosku等推测多胺氧化生成H202可促进胚胎发育[20] 。

5 多胺诱导的细胞程序性死亡在延迟细胞死亡中的作用

多胺诱导的细胞程序性死亡除了在生物发育中发挥作用外，还可在延迟细胞死亡中发挥作用。如Chaabane等证实，在植物细胞内，亚精胺的水平随着年龄的增长而减少，而多胺可延缓不同器官的衰老；在动物细胞内，将亚精胺加入培养基中可延长酵母、蠕虫、苍蝇及人类免疫细胞的寿命[21]；Handa等研究发现，在小鼠中，亚精胺降低了与年龄相关的氧化损伤。通过诱导细胞的自噬作用，处理机体不需要的和有问题的大分子，延长生物体的寿命并抑制了细胞程序性死亡，尤其是细胞坏死，这种作用可因与自噬相关基因的失活而消除；在酵母中，亚精胺抑制了组蛋白乙酰转移酶（histone acetyltransferase）的活性，并导致了组蛋白H3的低乙酰化；在番茄果实中，高水平的精胺和亚精胺导致了转录修改，致使250个基因表达上调，408个基因表达下调[22] 。然而，这种调控是否与表观遗传相关尚不清楚，同时自噬和多胺之间可能存在的关系尚不明确。

6多胺诱导的细胞程序性死亡在防御反应中的作用

多胺及其类似物可在缺乏H202或氨基乙醛等媒介因子的情况下，通过调控离子通道影响Ca2+信号，从而在植物体防御反应中扮演重要角色，包括超敏反应。如Vatsa等研究质外体（ apoplast）中多胺参与的氧化作用及超敏反应表明，质外体的活性氧（reactive oxygen species，ROS）诱导了Ca2+流入并放大了激活剂诱导的信号，Ca2+水平的升高有利于超敏反应的发生，且是其发生的必需因素[23] 。此外，多方证据显示，精胺作为植物中最重要的多胺类物质可有效抵御病原菌的感染。如Park等研究发现，在动物体中，精胺氧化酶通路针对免疫系统阻碍病原菌入侵以实现根除感染；同时，通过精胺氧化酶形成的多胺氧化作用还可消除肿瘤细胞[24]。

7展望

鉴于多胺和表观遗传变异存在着密切的联系，我们可以提出这样的假设：多胺可能通过影响细胞表观遗传进而诱导细胞程序性死亡。基于细胞程序性死亡的表观遗传调控是一个全新的领域，同时目前关于细胞程序性死亡的通路知之甚少，进行相关的实验研究将会是一个艰巨的任务。另外，一些研究显示，多胺诱导了抗细胞程序性死亡物质的累积，但目前尚不清楚多胺在植物中是否诱导机体自噬或参与其他细胞死亡调控的过程。此外，虽然亚精胺被认为在动物体中控制自噬过程，但具体途径仍需进一步阐述。未来研究者应对多胺在细胞程序性死亡的精细调控机制方面进行更深入的研究，这将为人们对抗细胞程序性死亡打下坚实的理论基础。