李海濤 周華軍 田書梅 張曉磷 趙云云

摘要：多胺被認為是影響細胞存活的一個關鍵分子。有證據顯示，多胺可直接或間接參與細胞程序性死亡的調控。多胺與細胞程序性死亡直接相關，是指其參與特定的生物學過程及與導致細胞程序性死亡的分子/結構發(fā)生相互作用；間接相關，是指多胺通過調控細胞程序性死亡的代謝衍生物，如異化和互變產物來調控這一過程。此外，多胺代謝過程中的細胞毒性產物也參與到細胞程序性死亡的級聯反應中。因此，對動植物中依賴于多胺的細胞程序性死亡的最新研究進展進行綜述，可為進一步研究提供一些參考。

關鍵詞：多胺；細胞程序性死亡；超敏反應；過氧化氫

中圖分類號：Q255 文獻標識碼：A 文章編號：1007-7847（2015）03—0242-04

眾所周知，多胺（polyamine）是一類廣泛存在于生物體，具有強生物活性的低分子脂肪族含氮堿。研究發(fā)現，多胺與活性氧一樣，可影響動植物細胞程序性死亡（programmed cell death，PCD）過程，且目前已在多種細胞系中證實多胺的耗損可誘導細胞程序性死亡；但也有報告發(fā)現了與此截然相反的結果，如Del Duca等研究發(fā)現多胺水平升高可引起細胞的凋亡障礙，從而導致惡性轉化[1]。這種與多胺相關的細胞程序性死亡很可能是細胞固有的復雜調控機制，本文將多胺參與細胞程序性死亡的最新研究進展綜述如下，為相關研究提供一些參考。

1 多胺的代謝

高等植物體內主要有5種多胺，即丁二胺（ Pilt）、亞精胺（Spd）、精胺（Spm）、尸胺（Cad）及熱精胺（ t-Spm），而動物缺少熱精胺。由于多胺與一些重要的生理學功能相關，如發(fā)育、離子通道、膜流動性、蛋白調控、氮：碳平衡調控及應激反應等，因而維持細胞內多胺水平的穩(wěn)態(tài)至關重要[2，3]。而多胺代謝、接合作用、互變現象、化學修飾及運輸是維持生物體內多胺平衡的五大決定性因素，其中又以多胺的代謝為最。

近期研究發(fā)現，多胺與細胞程序性死亡密切相關，但多胺產生的效應十分復雜，對生物合成和分解代謝中酶的活性，既有誘導作用，又有抑制作用，并由此造成細胞凋亡的增減。

1.1 多胺的合成代謝

目前已知的多胺合成途徑有兩條：一條是鳥氨酸通過鳥氨酸脫羧酶（ornithine decarboxylase，ODC）脫羧直接形成，這亦是幾乎所有的有機體共享的多胺生物合成途徑；另一條是在植物和細菌中所特有的途徑，即精氨酸經過精氨酸脫羧酶（arginine deCarboxylase，ADC）的催化形成鯡精胺，鯡精胺水解成N-氨甲基腐胺（N-methyl putres-clne ammonia，NCP），再在亞精胺合成酶（spermi-dine synthase）及精胺合成酶（spermine synthase）的作用下，經氨丙基化生成亞精胺和精胺。值得注意的是，在植物體內，氨丙基是由S-腺苷甲硫氨酸脫羧酶（S-adenosylmethlonine decarbox-ylase，SAMDC）脫羧基產生的。SAMDC除了作為甲基的供體外，也是多胺和乙烯合成的共同前體，被認為是多胺合成途徑的調節(jié)者，其活性還是動植物體多胺生物合成的限速因素。

1.2 多胺的分解代謝

多胺氧化酶（polyamine oxidase，PO）和二胺氧化酶（diamine oxidase，DO）是調控多胺分解代謝的兩種重要胺氧化酶（amine oxidases，AOS）c3]。在擬南芥中，胺氧化酶途徑中有一些功能冗余的基因，如Planas-P ortell等證實擬南芥中含有至少10種多胺氧化酶基因，已被命名的4種分別為AtAOl、AtCuAOl、AtCuA02及AtCuAO；止匕外，還有5種二胺氧化酶基因（AtPAOl-AtPA05）。其中，多胺氧化酶與亞精胺和精胺的親和力較低，主要氧化丁二胺和1，5-戊二胺，多胺氧化酶可分解丁二胺釋放出吡咯啉、H202和氨（NH，）；二胺氧化酶可氧化亞精胺和精胺，但并不氧化丁二胺，植物二胺氧化酶催化多胺的分解代謝，從亞精胺和精胺中釋放出吡咯啉、丙二胺及H202[4]。值得注意的是，多胺分解代謝過程中產生的這些細胞毒性多胺異化產物，是多胺間接參與細胞程序性死亡的重要成分。由于精胺氧化酶途徑在動植物體內是保守性進化的，AtPAOl可能是精胺氧化酶在植物體內的類似物。精胺氧化酶由腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）誘導產生，同樣地，AtPAOl在正常條件下無法被檢測到，推測其可能也是經誘導產生的，但其產生的具體機制尚不明確[5]。此外，de Alencastro等研究發(fā)現，精胺合成酶在人體中的缺失可造成智力障礙（Snyder-Robinson綜合征）[6]。

2 多胺在細胞程序性死亡中的直接作用 研究發(fā)現，多胺可通過參與特定的生物學過程及與導致細胞程序性死亡的分子/結構發(fā)生相互作用直接誘導細胞程序性死亡：1）通過調控離子通道誘導細胞程序性死亡。如Weisell等研究發(fā)現，多胺及其類似物可在缺乏H202或氨基乙醛等媒介因子的情況下，通過調控離子通道直接導致細胞程序性死亡[7]；Duan等研究證實，精胺可直接調控神經細胞酸敏感離子通道（acid sensitivityion channels，ASICs）從而導致細胞程序性死亡[8]。值得注意的是，K+流出雖然可有效降低細胞凋亡容積，但與此同時，低K+濃度又形成了一個有利于caspases及核酸內切酶活性發(fā)揮的內環(huán)境。如，Zepeda-Jazo等研究發(fā)現，植物體內的低K+濃度可激活meta-caspases及內切酶，促進活性氧和鹽誘導的細胞程序性死亡[9]。2）通過線粒體調控途徑誘導細胞程序性死亡。如Pottosin等研究發(fā)現，在腫瘤細胞系中，藥物引起的多胺耗損可通過線粒體調控途徑誘導細胞程序性死亡，這種耗損誘導了染色質凝聚及DNA斷裂，但可通過添加外源性多胺來進行逆轉[10]。但Zou等卻得出了與此截然相反的結論，他們用DMSO處理大鼠小腸血管內皮細胞IEC-6誘導了抗凋亡蛋白Bcl-2和Bcl-xL的表達[11]。此外，雖然植物中多胺對細胞程序性死亡中的直接作用還未見報道，但遺傳學研究已強調了它們的重要意義。

3 多胺在細胞程序性死亡中的間接作用

多胺除了可通過以上途徑直接誘導細胞程序性死亡外，還可通過氧化作用產生異化產物間接誘導細胞程序性死亡。目前已有證據證實植物細胞中多胺氧化作用的存在，如M-M等證實，煙草作物中質外體多胺氧化酶執(zhí)行了細胞程序性死亡[12]哺乳動物細胞程序性死亡則與細胞毒性多胺異化產物如H202、氨基乙醛的水平有直接的關系。如Chaturvedi等研究發(fā)現，幽門螺桿菌感染細胞后，精胺氧化酶的表達增加，若使用精胺氧化酶特異性抑制劑或將精胺氧化酶基因敲除，DNA損傷和H202的生成將顯著降低，證實由多胺代謝生成的H2O2與細胞程序性死亡相關[13]Song等使用超敏反應一細胞程序性死亡（ hypersensitivity-pro-grammed cell death，HR-PCD）模型研究與病原菌感染相關的細胞程序性死亡和多胺之間的關系時發(fā)現，機體被病原菌感染后，產生活性氧并導致感染細胞發(fā)生HR-PCD以限制病原菌的繼續(xù)入侵。在超敏反應發(fā)生時，多胺氧化途徑被認為是活性氧的主要來源。在煙草細胞中，將質外體中多胺氧化酶敲除或使用藥物抑制多胺的生物合成可在一定程度上抑制HR_PCD[14]；在動植物中，病原菌的感染可上調多胺的生物合成。如Kim等研究發(fā)現，幽門螺桿菌感染進一步增加了多胺在腸道巨噬細胞的生物合成，巨噬細胞精胺氧化酶產生了H202和有毒的氨基醛、3-氨基丙醛。由此證實，幽門螺桿菌感染后誘導機體產生的精胺氧化酶導致了腸道巨噬細胞程序性細胞死亡[15]

4 多胺誘導的細胞程序性死亡在生物發(fā)育中的作用

在胚胎發(fā)育過程中，由胺氧化酶催化的多胺氧化作用及產生的H202導致的細胞程序性死亡可能是一次重要的組織重塑。如Wu等證實，多胺對動物胚胎發(fā)育是至關重要的，敲除多胺基因將會導致胚胎發(fā)育停滯[16]；Wu等還提出一種假設，即在哺乳動物囊胚中，H202導致了滋養(yǎng)外胚層細胞的凋亡，這是發(fā)育過程中的第一次凋亡[16]。雖然迄今為止還沒有足夠的證據來證實多胺誘導的細胞程序性死亡在胚胎發(fā)育中的作用，但多胺的分解代謝在成年有機體的細胞程序性死亡中的作用已被廣泛研究。如Suppola等研究Nl-亞精胺/精胺乙酰轉移酶（Nl-Spd/Spm acetyl-transferase，SSAT）在小鼠體內過表達時發(fā)現，其可在重金屬誘導的啟動子的作用下募集丁二胺，同時耗盡亞精胺和精胺；而在煙草植物中，過表達質外體多胺氧化酶往往伴隨著木質部過早的細胞程序性死亡[17]。有意思的是，Tisi等對玉米根尖端補充外源性亞精胺導致了其細胞周期分布的改變，造成細胞周期阻滯并誘導細胞程序性死亡；另外，木質部過早的細胞程序性死亡阻礙了次生細胞壁的正確分化。然而，H202去除劑能部分恢復亞精胺誘導的效果[18] ；此外，Moschou等研究發(fā)現，4-氨基丁醛作為亞精胺的一種氧化產物，無法模擬亞精胺的效果，表明由多胺氧化酶代謝而來的H202獨立于氨基乙醛且足以誘導細胞程序性死亡[l9] 。

細胞程序性死亡也是植物胚胎發(fā)育的一個重要特性。眾所周知，丁二胺和亞精胺是植物胚胎發(fā)育所必需的，但多胺是否是在這個階段促進了細胞程序性死亡尚不清楚。但Vuosku等推測多胺氧化生成H202可促進胚胎發(fā)育[20] 。

5 多胺誘導的細胞程序性死亡在延遲細胞死亡中的作用

多胺誘導的細胞程序性死亡除了在生物發(fā)育中發(fā)揮作用外，還可在延遲細胞死亡中發(fā)揮作用。如Chaabane等證實，在植物細胞內，亞精胺的水平隨著年齡的增長而減少，而多胺可延緩不同器官的衰老；在動物細胞內，將亞精胺加入培養(yǎng)基中可延長酵母、蠕蟲、蒼蠅及人類免疫細胞的壽命[21]；Handa等研究發(fā)現，在小鼠中，亞精胺降低了與年齡相關的氧化損傷。通過誘導細胞的自噬作用，處理機體不需要的和有問題的大分子，延長生物體的壽命并抑制了細胞程序性死亡，尤其是細胞壞死，這種作用可因與自噬相關基因的失活而消除；在酵母中，亞精胺抑制了組蛋白乙酰轉移酶（histone acetyltransferase）的活性，并導致了組蛋白H3的低乙?；辉诜压麑嵵?，高水平的精胺和亞精胺導致了轉錄修改，致使250個基因表達上調，408個基因表達下調[22] 。然而，這種調控是否與表觀遺傳相關尚不清楚，同時自噬和多胺之間可能存在的關系尚不明確。

6多胺誘導的細胞程序性死亡在防御反應中的作用

多胺及其類似物可在缺乏H202或氨基乙醛等媒介因子的情況下，通過調控離子通道影響Ca2+信號，從而在植物體防御反應中扮演重要角色，包括超敏反應。如Vatsa等研究質外體（ apoplast）中多胺參與的氧化作用及超敏反應表明，質外體的活性氧（reactive oxygen species，ROS）誘導了Ca2+流入并放大了激活劑誘導的信號，Ca2+水平的升高有利于超敏反應的發(fā)生，且是其發(fā)生的必需因素[23] 。此外，多方證據顯示，精胺作為植物中最重要的多胺類物質可有效抵御病原菌的感染。如Park等研究發(fā)現，在動物體中，精胺氧化酶通路針對免疫系統(tǒng)阻礙病原菌入侵以實現根除感染；同時，通過精胺氧化酶形成的多胺氧化作用還可消除腫瘤細胞[24]。

7展望

鑒于多胺和表觀遺傳變異存在著密切的聯系，我們可以提出這樣的假設：多胺可能通過影響細胞表觀遺傳進而誘導細胞程序性死亡?；诩毎绦蛐运劳龅谋碛^遺傳調控是一個全新的領域，同時目前關于細胞程序性死亡的通路知之甚少，進行相關的實驗研究將會是一個艱巨的任務。另外，一些研究顯示，多胺誘導了抗細胞程序性死亡物質的累積，但目前尚不清楚多胺在植物中是否誘導機體自噬或參與其他細胞死亡調控的過程。此外，雖然亞精胺被認為在動物體中控制自噬過程，但具體途徑仍需進一步闡述。未來研究者應對多胺在細胞程序性死亡的精細調控機制方面進行更深入的研究，這將為人們對抗細胞程序性死亡打下堅實的理論基礎。