多胺在微生物中的研究进展

姚响文 周密 曹颖瑛 姜远英

(第二军医大学药学院新药研究中心，上海 200433)

多胺是一类小分子带正电荷的脂肪族类化合物，广泛存在于原核生物和真核生物体内［1］，主要包括腐胺 (putrescine)、亚精胺 (spermidine)、精胺(spermine)和尸胺 (cadaverine)。研究表明，多胺是生物体内普遍存在并能够发挥重要功能的物质［2］，由于多胺结构中含有氨基，因此能够为生物体提供氮源并维持体内酸碱环境的稳定，除此之外，多胺在DNA复制、转录和翻译方面也发挥重要作用，能够调控细胞增殖和分化，进而影响细胞的功能。在微生物体内，多胺的摄取、合成和降解过程是与胞内多胺含量密切相关，若细胞内多胺含量较低甚至是缺乏多胺能够导致细胞生长停止［3-4］，而细胞内多胺含量过多则会导致细胞毒效应，提示微生物体内存在着一个严格的多胺含量调控系统，精确调节细胞内多胺水平，用以维持生物体的正常生理需求。近几年有关多胺及其在人类病原微生物的生长和毒力方面的研究越来越深入，本文主要从微生物中多胺的代谢、转运以及生理功能等方面入手，对目前国内外有关多胺的研究进行归纳总结，为阐明多胺在微生物中的作用提供较为丰富的资料。

1 多胺结构及其在微生物中的合成代谢

氨基是多胺结构的一个重要特点，腐胺和尸胺是含有两个氨基的二胺类，而亚精胺和精胺分别含有三个和四个氨基(具体结构见图1)。与Mg2+和Ca2+等无机阳离子不同，多胺阳离子是分布在可翻转碳链上的可变正电荷，并且这种分布是有严格空间间隔排列的，而无机多价阳离子则表现为点状电荷。正是由于这种独一无二的电荷构象，多胺可以与带负电的分子形成电偶，其结合能力随电荷数的增加而增加 (腐胺＜亚精胺＜精胺)。研究表明，多胺的大部分生物学功能是通过与DNA、RNA和蛋白质等带负电的生物分子的静电反应来完成的。

腐胺、亚精胺、精胺和尸胺是细胞内最广泛分布的多胺，是原核生物和真核生物细胞生长、分化和增殖的必需元素。研究发现各个多胺在微生物体内的含量是不同的，在大多数细菌中，细胞内亚精胺 (1～3 mmol/L)含量高于腐胺 (0.1～0.2 mmol/L)，但是在大肠杆菌中，腐胺是最主要的多胺，约为 10～30 mmol/L，而亚精胺只有 1～3 mmol/L［5］。精胺在细菌中的存在尚不明确，研究表明虽然大肠杆菌自身无法合成精胺，但是在实验室条件下外源添加的精胺可以满足大肠杆菌正常情况下对于多胺的需求［6］。尸胺是细菌中含量最少的多胺，并不存在于大肠杆菌中，但是大肠杆菌能够在存在前体赖氨酸的酸性环境中或者是腐胺无法合成的条件下在厌氧生长过程中合成尸胺。

微生物体内多胺的合成主要通过鸟氨酸或其他中间体的直接脱羧反应来完成。在真菌和细菌等微生物体内存在两条合成腐胺的通路，前体分别是 L-鸟氨酸和 L-精氨酸［7］。前者 L-鸟氨酸在鸟氨酸脱羧酶 (Ornithine Decarboxylase，ODC)催化下脱羧生成腐胺，后者L-精氨酸在精氨酸脱羧酶作用下脱羧形成胍丁胺，进而在胍丁胺脱氨酶作用下经过一系列变化生成腐胺［8］(见图2～3)。腐胺在亚精胺合成酶的作用下接受氨丙基生成亚精胺，亚精胺在精胺合成酶的作用下接受氨丙基生成精胺。同时，微生物体内还存在另一条途径来影响亚精胺和精胺的合成，S-腺苷甲硫氨酸合酶能够将甲硫氨酸转换成S-腺苷甲硫氨酸 (S-adenosyl methionine，SAM)，SAM 在 SAM 脱羧酶作用下脱去羧基变为去羧基SAM，其为亚精胺和精胺合成辅助因子，能够在亚精胺合酶和精胺合酶作用下合成亚精胺和精胺。

图1 多胺结构示意图:a.腐胺，b.亚精胺，c.精胺，d.尸胺 图2 真菌中多胺合成通路 图3 细菌中多胺合成通路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

已有报道表明，微生物体内存在完整的多胺调节机制用以维持体内多胺水平平衡，包括多胺的合成、逆向互变、吸收、转运、降解等多个环节。研究报道，微生物能够通过多个环节来调节多胺合成关键酶ODC的活性。腐胺和亚精胺都能够可逆性地抑制ODC活性。大肠杆菌中cAMP和cAMP受体蛋白复合体能够在转录水平抑制ODC活性［9］。细胞内较高浓度的亚精胺和腐胺也可抑制精氨酸脱羧酶的活性［10］。同时研究报道，大肠杆菌中一定浓度的亚精胺也能够抑制SAM脱羧酶活性，用以维持细胞内亚精胺含量的稳定［11］。

2 多胺在微生物中的转运

多胺转运包括多胺的吸收和排泻系统，这两方面在维持体内多胺水平平衡方面发挥重要作用。大肠杆菌中腐胺的吸收是依赖于质子动力势能，同时细胞也能够将体内过多的腐胺通过排泄系统排泄到环境中，用以维持细胞内腐胺含量的稳定，而亚精胺不能被细胞排泄系统排泄。在酵母、大肠杆菌等微生物体内均发现多胺转运蛋白，并且这种转运蛋白的结构高度保守，这表明微生物体内的多胺转运系统是其自身生存所必需的功能系统，能够为微生物提供一个有利的生存条件。

最近研究表明，微生物中多胺转运蛋白是多胺特异性或多胺优先性转运蛋白［12］。大肠杆菌的多胺转运系统包括两个ABC(ATP-binding cassette)转运蛋白并且这两个蛋白是对腐胺和亚精胺有选择性的。除此之外，还存在腐胺和尸胺的反向转运体和单输送体。大肠杆菌中对外源多胺的吸收能力为:腐胺 ＞ 亚精胺 ＞ 精胺［13］。酿酒酵母中TOP1-TOP4四个基因编码多胺排泄蛋白，TOP1和TOP4可以转运腐胺、亚精胺和精胺，而TOP2和TOP3只能特异性地转运精胺［14-16］。同时已知UGA4能够将腐胺转运至液泡中，而TOP5能够将腐胺和亚精胺转运至高尔基体上［17-18］。同时，蛋白激酶也被报道能够增加多胺的吸收。在酵母细胞中，多胺转运蛋白激酶2能够激活蛋白Dur3，Dur3能够与尿素共同作用催化多胺的吸收［19］。

微生物能够通过7多胺吸收系统来吸收环境或宿主体内的多胺，这一发现表明无法自身合成多胺的突变病原微生物可以通过吸收摄取宿主体内的多胺来维持自身的正常生存。因此，病原微生物可能通过吸收宿主体内的多胺来应对药物的刺激，由此产生对药物的耐受性。这表明可以通过抑制多胺转运系统来达到降低或是完全消除病原微生物的毒力和侵袭力的目的，多胺转运系统很可能成为抗微生物药物作用的的新靶点。

3 多胺在细胞增殖和分化中的作用

在酿酒酵母等微生物体内，多胺是细胞生长所必需的元素。除此之外，多胺在调节细胞增殖和分化方面也发挥重要作用，大肠杆菌中多胺能够通过核糖体调节因子刺激相关蛋白的合成，进而调节细胞增殖过程。研究发现，大肠杆菌指数生长后期细胞内腐胺和亚精胺的含量低于指数生长前期，这可能与核糖体的功能相关。核糖体作为多胺的主要结合位点，在指数生长后期细胞内的含量低于指数生长前期。因此有更多的游离型的亚精胺增加，这些游离型的亚精胺能够抑制SAM脱羧酶和鸟氨酸脱羧酶的活性。因此，在指数生长后期细胞内多胺含量会降低。有研究表明，高浓度的多胺是真菌细胞分化的必要条件之一［20］，多胺代谢的变化能够决定真菌细胞形态的改变。腐胺合成特异性抑制剂DAB在一定浓度上并不影响宿主生长代谢，但是能够特异性地抑制真菌孢子出芽，形成以及形态转化。同时，鸟氨酸脱羧酶抑制剂DFMO能够影响真菌附着器的生长，孢子出芽和菌丝形成。

白念珠菌是最常见的条件致病真菌，具有两型性，即存在酵母态和菌丝态两种形态，并且这种形态模式是与其毒力密切相关，菌丝态的白念珠菌毒力远远强于酵母态。Herrero等发现，ODC缺失的白念珠菌中，多胺含量很低。这种缺失菌在0.01 mmol/L腐胺存在的条件下，全部生长为酵母形态，而在含有10 mmol/L腐胺的环境中，可以回复缺失菌从酵母态向菌丝态转化的能力，表现为可以生长为菌丝形态，毒力增强。这一研究表明，多胺可以控制白念珠菌菌丝的形成，在白念珠菌形态转化方面发挥多效性作用［21］。

4 多胺与核酸和细胞膜相互作用

多胺结构中含有氨基带正电荷，可以与微生物体内的DNA和RNA等带负电荷的生物大分子相结合。研究发现，多胺能够通过电荷作用，与DNA相结合，稳定DNA结构和功能，影响DNA的复制、转录和翻译，从而影响细胞的结构和功能［22］。

同时，发现多胺可以与RNA相结合成为一个复合体，这一复合体可以与Mg2+共同发挥作用用以稳定RNA结构。事实上，多胺能在体外环境中单独与Mg2+合作加速蛋白的合成。多胺与RNA结合能够引起结构的独特改变，这种改变能够更加稳定RNA的结构，有助于RNA功能的稳定发挥。多胺也能够通过改变核糖体上tRNA结构和活性，增加蛋白质合成中密码子翻译的准确度［23］。另有研究表明，充足的腐胺能够使不能合成tRNA的弗氏志贺突变菌恢复毒力基因的表达。这表明，腐胺和毒力基因mRNA存在一个直接相互作用，从而能够导致更有效的转录以及毒力基因的准确表达［24］。

最近研究发现，无论外源性或内源性多胺对维持组织细胞膜的功能性和完整性方面尤为重要。多胺在细菌外膜功能上扮演重要角色，主要依赖于孔蛋白的作用。孔蛋白是跨膜同源三聚体，能够允许革兰氏阴性细菌外膜的亲水性物质的扩散。大肠杆菌中孔蛋白OmpC和OmpF能够以特定跨膜电压依从性方式与一定浓度的多胺相互作用。腐胺和亚精胺能够结合OmpC和OmpF的天冬氨酸残基，改变电荷和孔径，导致通道关闭和外膜通透性的降低［25］。同时，多胺还参与细胞膜成分的构建，在包括大肠杆菌在内的一些革兰阴性细菌的外膜上有腐胺的成分参与［26］。研究表明尸胺能够降低细胞膜蛋白介导的β-内酰胺抗生素的外排，这对于细菌对此类抗生素敏感性降低和选择性耐药菌株增加有重要意义。

5 多胺在生理应激反应中作用

生理应激反应存在于微生物的整个生命过程中，包括氧化应激、硝酸化刺激以及酸碱等环境刺激。微生物为了应对体内的氧化应激，会诱导包括特定蛋白合成在内的自身保护功能。活性氧能够引起DNA双链断裂，以及基本骨架的改变。超氧化物歧化酶(SOD)能够保护细胞内核酸应对超氧离子等氧化物质对其的损伤。精胺和亚精胺能够作为氧自由基的直接清除剂与SOD联合作用，减少氧自由基对DNA双链的损伤［27］。

研究表明，细菌中多胺介导的对抗氧化应激的的机制包括三方面:①多胺可以通过电荷作用与DNA直接结合，保护DNA的结构完整。②多胺可以作为活性氧的直接清除剂，清除活性氧，保护细胞内核酸。③多胺能够诱导细胞内类似SOD的保护性酶的合成和功能发挥，用以保护细胞应对氧化刺激。

Bower等研究发现，多胺能够介导大肠杆菌应对外界环境中的硝酸化刺激。cadC基因是大肠杆菌硝酸化应激耐受基因，在cadC缺失菌中，胞内尸胺的含量明显降低，而且对酸化亚硝酸盐的敏感性明显增加。外源性添加尸胺和其他多胺能够使cadC缺失菌在硝酸化环境中正常生长。在酸化亚硝酸盐中，野生型菌株中尸胺含量明显增加。虽然多胺介导的大肠杆菌应对硝酸化刺激的机制尚不明确，但是这种作用机制绝不是单独的活性氮清除机制［28］。

研究发现，多胺在微生物应对酸性环境刺激中也发挥了重要作用。肠道病原微生物和正常菌群能够在营养匮乏的条件下在酸性环境中生存，这有赖于多胺发挥的重要作用。大肠杆菌中多胺可以通过减少细胞内cAMP水平来调节gadA和gadB基因的表达，gadA和gadB基因编码谷氨酸脱羧酶，谷氨酸脱羧酶能够增加细菌在酸性环境中的耐受力。因此多胺可以通过调控gadA和gadB的表达，进而来影响大肠杆菌对酸性环境的敏感性;在不能合成多胺的多胺缺失菌中，由于gadA和gadB基因不能正常表达，导致其无法正常合成谷氨酸脱羧酶，因此表现出在酸性环境中较弱的生存能力［29］。另有研究表明，外源添加赖氨酸能够激活相应的多胺启动子，表达赖氨酸脱羧酶，与谷氨酸脱羧酶联合，能够升高外界环境的PH，促使细胞能够忍受更恶劣的环境。

6 小 结

多胺广泛存在于原核生物和真核生物体内，并在细胞生物学方面发挥重要作用。微生物体内多胺的代谢、转运以及一些重要酶类活性的变化，都将影响到细胞的生长和功能的发挥。虽然多胺在微生物中的代谢途径和部分功能已经明确，但是它们在微生物感染的发病机制方面的作用尚不清楚，最近一些研究证据强调了多胺在病原体发病机制、存活能力和毒力方面的作用。随着多胺在微生物中的代谢信息被不断挖掘，多胺会成为阻止和治疗微生物感染疾病的潜在重要靶点。

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