高等植物及藻類植物中cAMP研究進(jìn)展

鄧海臨,李大鵬

(1.福建農(nóng)林大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院,福建 福州 350002;2.中國科學(xué)院 海洋研究所,山東 青島 266071)

Sutherland在研究腎上腺素引起肝細(xì)胞中糖原分解成葡萄糖時發(fā)現(xiàn),如果使腎上腺素和分離出來的細(xì)胞膜碎片互相作用,可生成一種當(dāng)時不知名的小分子物質(zhì),當(dāng)把這種物質(zhì)單獨和肝細(xì)胞的胞漿接觸時,也能引起胞漿中糖元的分解,其作用和腎上腺素作用于完整的肝細(xì)胞時類似。這說明腎上腺素并不是直接作用于糖元,而是作用于細(xì)胞膜上,促使其生成小分子物質(zhì)的結(jié)果。這種小分子物質(zhì)就是后來證明的cAMP(環(huán)腺苷酸)。cAMP的發(fā)現(xiàn)徹底改變了人們對新陳代謝調(diào)節(jié)機(jī)制的認(rèn)識,人們把蛋白激酶和磷酸化作用以及去磷酸化作用調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)活性的系統(tǒng)歸為生物信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的第二信使系統(tǒng)之一。cAMP作為第二信使普遍存在于細(xì)菌、真核微生物、真菌以及多細(xì)胞動物,此外,對外界信號作出的一系列細(xì)胞反應(yīng)都與cAMP有關(guān)。由于植物中cAMP含量通常較低,一般的檢測方法難以達(dá)到要求,隨著酶聯(lián)免疫法、液相色譜法、質(zhì)譜法等新型精確檢測方法的應(yīng)用,使得植物細(xì)胞中含有 cAMP得到肯定,也使海藻中cAMP的研究得到了較快的發(fā)展。

1 cAMP信號系統(tǒng)的組成

1.1 腺苷酸環(huán)化酶(adenylyl cyclase,AC)

AC是合成cAMP的關(guān)鍵酶類,目前已知有9種腺苷酸環(huán)化酶(adenylyl cyclase,AC)異構(gòu)體。根據(jù)AC氨基酸序列,至少可分為兩種亞類。各種AC異構(gòu)體表達(dá)的組織特異性會影響不同組織在特異刺激下合成cAMP的量。除了由G蛋白激活,AC也能整合G蛋白的βγ亞基、蛋白激酶 C以及細(xì)胞內(nèi)鈣離子等轉(zhuǎn)導(dǎo)的信號。

目前,通常使用組織化學(xué)和生物化學(xué)方法檢測植物組織中的 AC活性。組織化學(xué)法主要基于標(biāo)準(zhǔn)Wachstein-Meisel法磷酸鉛沉淀技術(shù)[1],以ATP作為AC的底物,用電子顯微鏡檢測ATP形成cAMP過程中產(chǎn)生的 PPi與鈰形成電子致密沉淀物的量來代表AC的活性。因為細(xì)胞含有大量ATP水解酶不斷地釋放 Pi,在這一過程中產(chǎn)生許多假陽性反應(yīng),很多化合物都不能避免干擾活動。后來采用對ATP酶敏感較低的 5'-三磷酸亞酰胺腺苷代替 ATP作為底物[2],運用這種方法,最早在細(xì)胞質(zhì)膜中發(fā)現(xiàn)AC的活性。此外,在玉米根尖內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、質(zhì)膜、核膜[3]以及豌豆內(nèi)膜[4]上都檢測到AC活性。植物學(xué)家發(fā)現(xiàn)AC的許多生理作用。Rougier[5]提出AC活性是楊樹花粉管穩(wěn)定形成的重要因素,Curvetto[6]在蠶豆保衛(wèi)細(xì)胞中定位了AC活性是由IAA、Ca2+、咖啡因、GTP等激活的。作者認(rèn)為在一定程度上 cAMP參與了氣孔運動中由G蛋白引起的 IAA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)體系。此外,在菜豆初生葉的細(xì)胞質(zhì)膜外和類囊體膜中也發(fā)現(xiàn)了 AC的活性,另一項研究通過免疫定位在葉綠體和細(xì)胞壁中發(fā)現(xiàn)了cAMP[7]。

組織化學(xué)方法難以精確定位AC活性,只能揭示其在生理過程中有一定的作用。生物化學(xué)方法實際上是用放射性同位素標(biāo)記cAMP的前體(ATP或者5'-三磷酸亞酰胺腺苷)測定合成放射性具有cAMP的含量來檢測AC的活性。不過早期的研究因無法檢測新合成的化合物而遭到質(zhì)疑,隨著更加精確的分離技術(shù)的發(fā)展,生物化學(xué)方法提供更加可靠的證據(jù)。例如,Carricarte[8]初步估計了苜蓿(Medicago sativaL.)中水溶性AC的分子質(zhì)量為84 ku,并發(fā)現(xiàn)AC的活性依賴于 Ca/CaM 與 G蛋白的功能無關(guān)。相比之下,Lusini[9]在蓖麻根中檢測到 AC的活性。酶活性大約在20 pmol/(min·mg),而AC的活性與G蛋白和NaF有關(guān),AC可能受 G蛋白調(diào)控。運用質(zhì)譜分析技術(shù)Pacini[10]在豌豆中檢測到AC活性。AC用Mg2+-ATP作為底物合成cAMP,AC的活性與GTP存在很大關(guān)聯(lián)。低濃度的GTP激活A(yù)C活性,而過高濃度的GTP抑制其活性,這可能是因為與 ATP競爭造成的。Cooke[11]在研究紫花苜蓿細(xì)胞組織時發(fā)現(xiàn),植物黃萎病致病菌激發(fā)AC的活性。AC的活性依賴于Mg2+由 Ca2+激發(fā)。較低活性的 AC在加入植物黃萎病致病菌后,AC活性瞬間升高了3倍。AC活性的短暫性升高同時伴隨著細(xì)胞內(nèi) cAMP含量升高,隨后磷酸二酯酶活性快速升高。

1.2 磷酸二酯酶(phosphodiesterase,PDE)

磷酸二酯酶(phosphodiesterase,PDE)負(fù)責(zé)降解細(xì)胞內(nèi) cAM P,目前已知有 40種以上 PDE,可分為七類。某些組織中AC基礎(chǔ)活性很高,這時PDE在調(diào)節(jié)cAMP信號途徑中的作用就很重要了。除了可以活化已有的 PDE酶類, cAMP也誘導(dǎo)合成新的 PDE mRNA,但目前這種調(diào)控節(jié)的分子機(jī)制尚未明了。

早在高等植物中提取環(huán)核苷酸混合物的報道之前,Wood[12-13]在豌豆苗種發(fā)現(xiàn)cAMP被PDE水解成AMP,隨后在煙草、胡蘿卜葉、大麥種子、馬鈴薯、洋姜塊莖中發(fā)現(xiàn)了 PDE的活性。諸多的研究表明,cAMP是植物組織中內(nèi)源性物質(zhì),其擁有的功能與其他生物體中類似。與此不同的是,Lin等[14]在豌豆苗中發(fā)現(xiàn)PDE活性具有最佳pH,并且對甲基黃嘌呤不敏感,水解得到3'-AMP而不是5'-AMP。更重要的是,把RNA分解中間物2',3'-cAMP作為底物而不是第二信使系統(tǒng)中的3',5'-cAMP。因為在動物體中PDE作用于cAMP第二信使系統(tǒng)只產(chǎn)生5'-AMP并不水解2',3'-cAMP,由此推斷出豌豆中的PDE并不在植物信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮作用,只是作為RNA分解代謝的一部分。

1.3 蛋白激酶 A(cAMP-dependent protein kinase A,PKA)

PKA全酶是一種四聚體,由兩個催化亞基(C)和兩個調(diào)節(jié)亞基(R)構(gòu)成。在沒有 cAMP時,以鈍化復(fù)合體形式存在。cAMP與調(diào)節(jié)亞基結(jié)合,改變調(diào)節(jié)亞基構(gòu)象,使調(diào)節(jié)亞基和催化亞基解離,釋放出催化亞基。活化的蛋白激酶A催化亞基可使細(xì)胞內(nèi)某些蛋白的絲氨酸或蘇氨酸殘基磷酸化,于是改變這些蛋白的活性,進(jìn)一步影響到相關(guān)基因的表達(dá)。

在真核生物中,cAMP的功能主要是由蛋白激酶對靶蛋白的磷酸化實現(xiàn)的。但近來又有實驗證明cAMP 可以直接作用于離子通道。目前,植物細(xì)胞中的研究主要集中在對 cAMP依賴型蛋白激酶的查尋上。雖然尚未從植物組織中純化出 cAMP依賴的蛋白激酶 A,但在多種植物的提取物中證明依賴于cAMP磷酸化作用是存在的,如浮萍、玉米、椰子和水稻等[15-17]。現(xiàn)已在幾種植物中發(fā)現(xiàn)有類似動物PKA 的調(diào)節(jié)亞基(即 cAMP 的結(jié)合蛋白)和催化亞基。而且近年來報道的幾個植物蛋白激酶基因與動物中PKA和蛋白激酶C (protein kinase C,PKC)催化亞基高度同源[17-18]。雖然植物與動物PKA 的催化亞基相似,cAMP 能激活 PKA 的催化亞基,但并不能完成調(diào)節(jié)亞基的抑制作用,所以植物體內(nèi)可能還需其他酶的協(xié)助功能完成PKA 的調(diào)節(jié)功能。

1.4 cAMP調(diào)控的離子通道(cyclic nucleotide-gated channels)

在植物中建立以蛋白激酶A為主要目標(biāo)和因素研究環(huán)核苷酸信使系統(tǒng)存在一定的困難,植物中cAMP調(diào)控的離子通道(CNGCs)是研究環(huán)腺苷酸信使系統(tǒng)的理想體系[19]。CNGCs是許多植物中一組運輸?shù)鞍踪|(zhì)的離子通道,另外其只由環(huán)腺苷酸激活。擬南芥CNGCs中就存在至少20種基因[20]。

通過對CNGCs的功能分析發(fā)現(xiàn),擬南芥中胞外高濃度的 Ca2+抑制 K+的運動來調(diào)控 K+、Ca2+和其他一價陽離子的運動,并且對 K+、Ca2+的調(diào)控都依賴于cAMP和cGMP[21]。除此之外,植物CNGCs含有相同的鈣調(diào)蛋白結(jié)合域(CaMBD),但是不同的CNGCs擁有不同的鈣調(diào)蛋白結(jié)合能力[22]。然而鈣調(diào)蛋白與CNGCs的結(jié)合依賴于Ca2+并由cAMP激活。因此,Ca2+與鈣調(diào)蛋白和環(huán)核苷酸的相互作用彼此相關(guān)聯(lián),另外CNGCs與胞內(nèi)鈣調(diào)蛋白和環(huán)核苷酸信號共同形成胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。

環(huán)核苷酸和離子通道共同參與了植物體內(nèi)眾多生理活動。根據(jù)Kurosaki[23]的研究顯示,cAMP直接調(diào)控K+通道,K+受cAMP激發(fā)流入胡蘿卜細(xì)胞內(nèi)同時伴隨著 Ca2+的快速轉(zhuǎn)移,此外還有進(jìn)一步的研究顯示出cAMP和cGMP在調(diào)控氣孔開啟具有一定的作用,這涉及了多組離子通道。雙丁酰cAMP引起百合花粉管中胞內(nèi) Ca2+濃度的升高,光解釋放 cAMP使花粉管頂端彎曲,并使儲存Ca2+的釋放。Ca2+的分布遷移是控制頂端生長的一個重要原因,而 cAMP是調(diào)節(jié) Ca2+分布的主要因素[24]。這些通道涉及的離子運動是否是CNGCs還不能確定,cAMP是直接或是間接影響離子通道的活性,影響它們的磷酸化也尚不明確,這些都需要進(jìn)一步的研究。

2 cAMP的生理功能

在植物界中,對海藻的研究給我們提供了較好的研究 cAMP生理功能的材料,例如 cAMP調(diào)控衣藻(Chlamydomonas eugametos)有性生殖和纖細(xì)裸藻的生理節(jié)奏。在海藻的研究中發(fā)現(xiàn) cAMP的合成和分解機(jī)理,最近已經(jīng)從纖細(xì)裸藻(Euglena gracilis)中成功克隆 cAMP蛋白激酶基因[25]。盡管植物細(xì)胞中cAMP信號系統(tǒng)的某些成分在基因水平上尚未分離,但研究表明cAMP具有多種生理功能。與cAMP相關(guān)的生理功能的相繼發(fā)現(xiàn),為植物細(xì)胞中存在cAMP信號途徑積累了越來越多的實驗證據(jù)。

細(xì)胞內(nèi)cAMP的變化及cAMP相關(guān)酶生理作用的報告顯示,植物當(dāng)中大量的生理活動都與 cAMP的變化有關(guān)[26-28]。人們發(fā)現(xiàn) cAMP在多種植物生理活動發(fā)揮作用例如離子傳輸。cAMP在葉綠體中也顯示具有重要的作用,目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn) cAMP在該細(xì)胞器中完整的運行機(jī)制。

2.1 調(diào)節(jié)植物細(xì)胞生理周期

研究發(fā)現(xiàn),cAMP在眾多生理過程中發(fā)揮極其重要的作用。Ehsan[29]報道cAMP與煙草BY-2細(xì)胞的細(xì)胞分裂周期密切相關(guān)。細(xì)胞在S期時,cAMP的含量達(dá)到最高在G1期時含量相對較低。在加入吲哚美辛(一種腺苷酸環(huán)化酶抑制劑)之后[30],引起細(xì)胞S期cAMP含量的降低,并伴隨減弱細(xì)胞的有絲分裂。作者認(rèn)為在細(xì)胞分裂過程中存在一種前列腺素或前列腺素類似物(素馨酮酸)激活腺苷酸環(huán)化酶。

越來越多的研究顯示 cAMP在動物及真菌細(xì)胞分裂周期中發(fā)揮重要作用。cAMP含量在連續(xù)的細(xì)胞分裂周期中發(fā)生變化,在不同細(xì)胞類型中 cAMP顯示出具有刺激或抑制細(xì)胞增值的作用。在細(xì)胞 S期之前,cAMP含量的瞬時升高是引起DNA合成的原因之一。這說明 cAMP作用于細(xì)胞分裂過程中重要的細(xì)胞分裂調(diào)解素。釀酒酵母細(xì)胞分裂周期也受到Ras/cAMP信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的高度調(diào)控[31]。

cAMP在調(diào)節(jié)纖細(xì)裸藻(Euglena gracilis)細(xì)胞生理節(jié)奏發(fā)揮重要的作用[32-33]。Edmunds[34]認(rèn)為通過G1/S和G2/M的協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)變從而形成生物鐘和細(xì)胞分裂周期之間的聯(lián)系。一項腺苷酸環(huán)化酶和磷酸二酯酶的研究顯示,AC活性的變化受到其酶活性調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)而不受酶數(shù)量的影響。在白天的任何時候加入毛喉素(forskolin)都能最大程度的激活腺苷酸環(huán)化酶活性,此外還能減小 cAMP含量變化的幅度以及減少細(xì)胞分裂過程中的節(jié)律性。IBMX的實驗發(fā)現(xiàn)磷酸二酯酶活性受時間段的抑制。然而,IMBX也是各種磷酸二酯酶活性的抑制劑,只是程度上各不相同而已。正是由于這個原因?qū)е录?xì)胞周期中存在各種磷酸二酯酶,其中某種特別的磷酸二酯酶可能是cAMP變化產(chǎn)生的原因。

在研究生物鐘影響cAMP含量的過程中,Tong[35]研究了Ca2+、鈣調(diào)蛋白、三磷酸肌醇和 cGMP在腺苷酸環(huán)化酶和磷酸二酯酶中的調(diào)節(jié)作用。cGMP含量的變化先與 cAMP含量變化。cGMP及其類似物同樣對腺苷酸環(huán)化酶和磷酸二酯酶存在一定的影響。因此可以看出cGMP是cAMP代謝的調(diào)節(jié)者。

cAMP對細(xì)胞分裂周期產(chǎn)生的影響主要是延緩或加速細(xì)胞周期。在細(xì)胞生物鐘的白天時段加入cAMP會導(dǎo)致細(xì)胞分裂周期的延緩,而在夜晚時段加入 cAMP則會加速細(xì)胞分裂周期的循環(huán)。這主要是由于細(xì)胞中存在多種不同的 cAMP受體選擇性的調(diào)節(jié)一個或多個調(diào)控途徑所致。在纖細(xì)裸藻中發(fā)現(xiàn)兩種cAMP蛋白激酶(cPKA和cPKB)與cAMP及其類似物聯(lián)系各不相同[36]。通過 Edmunds[34]的實驗發(fā)現(xiàn),cAMP含量的增加會抑制DNA的合成,使細(xì)胞分裂停留在G2期,因此抑制了細(xì)胞分裂。當(dāng)cAMP含量減少的時候,對細(xì)胞分裂的抑制現(xiàn)象消失了。我們推測細(xì)胞分裂周期從G2到M的轉(zhuǎn)變及整個有絲分裂過程都受 cAMP的影響。cAMP對細(xì)胞分裂周期的延緩作用受 cPKA調(diào)控,對細(xì)胞周期的加速作用則由cPKB調(diào)控。由此可見,cPKA和cPKB在細(xì)胞分裂周期中的表達(dá)有所不同,至于在什么時段表達(dá)什么蛋白激酶還在研究當(dāng)中[37]。

2.2 參與植物抗病

許多研究顯示植物在抗病毒過程中受 cAMP的調(diào)控。這種應(yīng)激反應(yīng)系統(tǒng)和動物第二信使系統(tǒng)中的胞外信號、信號受體、及其反應(yīng)機(jī)制類似[38]。已發(fā)現(xiàn)多種胞外誘導(dǎo)子,包括多糖、低聚糖、脂肪酸、蛋白質(zhì)和糖蛋白;另外還發(fā)現(xiàn)了少數(shù)信號受體,都是一些分布在細(xì)胞質(zhì)膜上的蛋白質(zhì)。信號受體對外界刺激做出的反應(yīng)的同時激活特殊的防御反應(yīng)基因,并誘導(dǎo)植物抗毒素的合成酶的產(chǎn)生。細(xì)胞質(zhì)膜這種接收信號的機(jī)制轉(zhuǎn)接到核基因,已經(jīng)多方面的運用到Ca、素馨酮酸、活性氧、甘油二酯和磷酸肌醇、cAMP[39]。

Oguni首次在甘薯中發(fā)現(xiàn) cAMP調(diào)控細(xì)胞防御體系合成植物抗毒素[40],之后在胡蘿卜中也發(fā)現(xiàn)植物抗毒素的增加伴隨著細(xì)胞內(nèi) cAMP含量的升高[41]。研究表明,cAMP參與了苜蓿(Medicago sativaL.)抗黃萎病合成植物抗毒素所作出的應(yīng)激反應(yīng)[42],苯基丙氨酸解氨酶(PAL)的活性也大幅提高催化植物抗毒素合成的前期反應(yīng)。經(jīng)過雙丁酰 cAMP處理的苜蓿幼苗苯基丙氨酸解氨酶活性提高,并促進(jìn)美迪紫檀素(medicarpin)的合成[43,11];通過 FAB/MIKE光譜分析發(fā)現(xiàn)在細(xì)胞內(nèi)源性 cAMP在經(jīng)病原激發(fā)子處理后含量升高了 4～5倍。雖然在胡蘿卜細(xì)胞中也發(fā)現(xiàn)了上面類似的現(xiàn)象,但是苜蓿幼苗經(jīng)病原激發(fā)子處理后3～5 min cAMP含量就達(dá)到了最高水平,而胡蘿卜則在 30 min后才體現(xiàn)出 cAMP含量的升高,四季豆需要15min達(dá)到最高反應(yīng)水平[44]。在苜蓿中,AC刺激反應(yīng)的增強(qiáng)和減弱都隨著磷酸二酯酶的變化而變化。胡蘿卜中霍亂毒素刺激其植物抗毒素的合成以及激發(fā)四季豆中苯基丙氨酸解氨酶的活性與都G蛋白有關(guān)[45]。

以上的研究顯示 cAMP與植物合成抗毒素反應(yīng)的過程,但是究竟如何調(diào)控植物抗毒素合成還不明確。AC對Ca2+的敏感性[11]以及cAMP對離子通道的調(diào)控作用[23],均顯示cAMP的作用是通過AC/cAMP和IP3/ Ca2+途徑的對話而起作用的。盡管在胡蘿卜細(xì)胞中沒有明顯的檢測到對 cAMP響應(yīng)的蛋白激酶活性,但是Ca2+和鈣調(diào)蛋白可以快速激活。根據(jù)這些結(jié)果,我們可以推測,病原激發(fā)子誘導(dǎo)的cAMP增加可引起 Ca2+的內(nèi)流,Ca2+再進(jìn)一步激活蛋白激酶的活性[24]。

2.3 對藻類有性生殖過程的調(diào)控

Pasquale等[46]在研究萊茵衣藻(Chlamydomonas reinhaidtii)雌雄配子粘合過程中發(fā)現(xiàn)胞內(nèi)cAMP含量短暫性的升高了10倍,在單一生殖性型配子中加入外源性雙丁酰 cAMP之后可以引起雌雄配子粘合時產(chǎn)生的相似反應(yīng),如細(xì)胞壁的消失,鞭毛頂端的激活等。并且加入環(huán)核苷酸磷酸二酯酶抑制劑后加強(qiáng)外源性 cAMP的促進(jìn)作用,在配子細(xì)胞和鞭毛中發(fā)現(xiàn)了腺苷酸環(huán)化酶的活性。類似的 Pijst[47]在研究卵配衣藻正負(fù)生殖型的配子混合在一起時,在粘著發(fā)生20s后觀察到細(xì)胞內(nèi)cAMP含量快速升高,并且把一生殖型的配子中加入另一種生殖型的配子的離體的鞭毛時也能引起細(xì)胞內(nèi) cAMP數(shù)量的短暫性的升高。由于這種 cAMP濃度的提高先于細(xì)胞融合時所有形態(tài)學(xué)和生理學(xué)的改變,推測它可能是由性粘著誘導(dǎo)的第一個主要的反應(yīng)。Gilles[48]分別用結(jié)合蛋白實驗和高效液相色譜法分析了團(tuán)藻性組織細(xì)胞中的cAMP含量比普通組織細(xì)胞中高,發(fā)現(xiàn)過高濃度的cAMP會抑制有性生殖的性誘導(dǎo),性組織的細(xì)胞僅當(dāng)結(jié)合時,cAMP 濃度才會升高。在非誘雄性藻株中10倍或20倍的cAMP 濃度升高會導(dǎo)致其不育,由此可見 cAMP作為復(fù)雜的性誘導(dǎo)物質(zhì)中的一員在細(xì)胞基質(zhì)中發(fā)生作用。

3 cAMP含量變化機(jī)制的研究

cAMP系統(tǒng)的機(jī)能活動的研究主要是通過對內(nèi)源性 cAMP含量的檢測來實現(xiàn)的。早前運用較廣泛的是Gilman的蛋白結(jié)合檢測法,這種方法基于同位素標(biāo)記的 cAMP(8-3H-cAMP)與環(huán)核苷酸樣品共同競爭特異結(jié)合蛋白,cAMP蛋白激酶就是這種特異蛋白之一[49]。放射免疫檢測法也是常用的方法,抗體結(jié)合過量標(biāo)記的抗原,通過檢測未標(biāo)記的抗原取代標(biāo)記的具有放射性的抗原的數(shù)量來計算 cAMP的含量。質(zhì)譜、高效液相色譜及其他生物熒光方法就顯得相對復(fù)雜,但是能較好地追蹤活體細(xì)胞中 cAMP的變化[50]。此外酶免疫檢測法則使用的相對更少,標(biāo)記與未標(biāo)記抗原共同競爭多克隆抗體,反應(yīng)完全之后加入到含有堿性磷酸酶標(biāo)記的第二抗體的平板中,酶活力的大小就反映所檢測 cAMP的濃度[51]。這些技術(shù)運用得出的大量數(shù)據(jù)為植物體內(nèi) cAMP系統(tǒng)的研究積累了充足的證據(jù)。

cAMP作為第二信使并能引起相應(yīng)的反應(yīng)在植物細(xì)胞中普遍存在,當(dāng)細(xì)胞受到外界刺激時,胞外信號分子首先與受體結(jié)合形成復(fù)合體,然后激活細(xì)胞膜上的 Gs-蛋白,被激活的 Gs-蛋白再激活細(xì)胞膜上的腺苷酸環(huán)化酶(AC),催化 ATP脫去一個焦磷酸而生成 cAMP。生成的 cAMP作為第二信使通過激活PKA(cAMP依賴性蛋白激酶),使靶細(xì)胞蛋白磷酸化,從而調(diào)節(jié)細(xì)胞反應(yīng),cAMP最終又被磷酸二酯酶(PDE)水解成5’-AMP而失活。AC和PDE可以從兩個不同方面調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)cAMP濃度,從而影響細(xì)胞、組織、器官的功能。當(dāng)AC的活性升高時,cAMP濃度升高,當(dāng)PDE濃度增高時,cAMP濃度降低。PDE對cAMP的調(diào)控,不僅取決于PDE的活化、抑制因素,還與細(xì)胞內(nèi)PDE的組成、亞細(xì)胞分布有關(guān)。

Goodenough[52]在研究cAMP對衣藻鞭毛雌雄配子粘合作用時,發(fā)現(xiàn)雌雄配子粘合引起凝集素的相互作用,并最終導(dǎo)致 cAMP含量的升高。此外Kooijman[53]將麥胚凝集素加入到衣藻中促使雌雄配子鞭毛粘合,鞭毛上的錨蛋白(可能通過G蛋白)激活腺苷酸環(huán)化酶催化 ATP形成 cAMP。Francisco[54]在研究光調(diào)節(jié)幾種大型海藻(網(wǎng)地藻、石花菜、石莼)cAMP含量時發(fā)現(xiàn),這幾種海藻在紅光和遠(yuǎn)紅外光的照射下,并未發(fā)生光敏反應(yīng) cAMP含量有一定的升高,在白光照射下cAMP含量大幅升高,在一定范圍內(nèi) cAMP含量隨著光照強(qiáng)度升高而升高,因此他們推測其 cAMP含量的積累受光合效能的調(diào)節(jié),而不受光敏素的影響。由此可以看出,cAMP很大程度上受新陳代謝產(chǎn)生的 ATP的影響,而光合作用產(chǎn)生cAMP的前體例如ATP,但是cAMP含量的降低是否與ATP合成的抑制有關(guān)還不能確定。

4 小結(jié)

綜上所述 cAMP信使系統(tǒng)是生物體調(diào)控眾多生理過程的主要信息傳遞系統(tǒng),調(diào)節(jié)活動過程中出現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)的 cAMP含量的變化,證明了 cAMP在調(diào)節(jié)機(jī)體整體活動的協(xié)調(diào)性和精確性等方面所起的主要作用。目前對藻類細(xì)胞內(nèi)的 cAMP信使系統(tǒng)研究較少,只集中在幾種衣藻和單細(xì)胞微藻當(dāng)中;此外,對于 cAMP的研究只僅限于其含量變化,對 cAMP的相關(guān)酶及其結(jié)合蛋白的研究則幾乎為零,因此對cAMP的調(diào)控機(jī)制還需要進(jìn)行廣泛而系統(tǒng)的研究。除了檢測生理過程中cAMP和cAMP相關(guān)酶活性的波動變化之外,對cAMP響應(yīng)的蛋白激酶、結(jié)合蛋白和他們的靶目標(biāo)將是今后研究的主要重點。另外,質(zhì)譜、生化分析、免疫組織化學(xué)技術(shù)、結(jié)合高壓冷凍技術(shù)及分子蒸餾法的運用將有助于 cAMP和 cAMP結(jié)合位點的亞細(xì)胞定位,用細(xì)胞化學(xué)分析方法對AC酶進(jìn)行定位;采用分子生物學(xué)技術(shù)分析 AC和 PDE的基因結(jié)構(gòu),用反義或RNA干擾技術(shù)抑制這些酶控制的 cAMP瞬間升高變化,同時用 cAMP類似物調(diào)控激酶或cAMP 結(jié)合位點的活性等。

[1]Wachstein M,Meisel E.Histochemistry of hepatitic phosphatases at a physiological pH with a special reference to the demonstration of bile canaliculi[J].American Journal of Clinical Pathology,1957,27:13-23.

[2]Yount R G,Babcock D,Ballentyne W,et al.Adenylyl-imidodiphosphate:an adenosine triphosphate analog containing a P-N-P linkage[J].Biochemistry,1971,10:2484-2489.

[3]Al-azzawi M J,Hall J L.Cytochemical localization of adenyl cyclase activity in maize roots[J].Plant Science Letters,1976,6:285-289.

[4]Hilton G M,Nesius K K.Localization of adenylyl cyclase in meristems of young pea hypocotyls[J].Physiologia Plantarum,1978,42:49-52.

[5]Rougier M,Jnoud N,Dumas C.Cytochemical study of adenylate cyclase in pollen-pistil interactions and its relation to incompatibility[C]//Cresti M,Gori P,Pacini E.Sexual reproduction in higher plants.Berlin,Germany:Springer-Verlag,1988.363-368.

[6]Curvetto N,Delmastro S.A biochemical and physiological proposal for stomatal movement :possible involvement of adenosine 3’,5’-cyclic monophosphate[J].Plant Physiology and Biochemistry,1990,28:367-378.

[7]Gadeyne J.Het cyclisch 3’:5’-adenosine monofosfaat metabolisme inPhaseolus vulgarisL.PhD thesis[D].Belgium:University of Antwerp (UIA),1992.

[8]Carricarte V C,Bianchini G M,Muschietti J P,et al.Adenylate cyclase activity in a higher plant,alfalfa(Medicago sativa) [J].Biochemical Journal,1988,249:807-811.

[9]Lusini P,Trabalzini L,Franchi G G,et al.Adenylate cyclase in roots of Ricinus communis;stimulation by GTP and Mn2+[J].Phytochemistry,1991,30:109-111.

[10]Pacini B,Petrigliano A,Brown E G,et al.Adenylyl cyclase activity in roots ofPisum sativum[J].Phytochemistry,1993,34:899-903.

[11]Cooke C J,Smith C J,Walton T J,et al.Evidence that cyclic AMP is involved in the hypersensitive response of Medicago sativa to a fungal elicitor[J].Phytochemistry,1994,35:899-995.

[12]Wood H N,Lin M C,Braun A C.The inhibition of plant animal adenosine 3’,5’-cyclic monophosphate phosphodiesterase by a cell division promoting substance from tissues ofPinus radiata[J].Biochemical Journal,1972,175:931-936.

[13]Giannattasio M,Sica G,Macchia V.Cyclic AMP phosphodiesterase from dormant tubers of Jerusalem artichoke[J].Phytochemistry,1974,13:2729-2733.

[14]Lin P-P C,Varner J E.Cyclic nucleotide phosphodiesterease in pea seedlings[J].Biochimica et Biophysica Acta,1972,276:454-474.

[15]Biermann B,Johnson E M,Feldman L J.Characterization and distribution of a maize cDNA encoding a peptide similar to the catalytic region of second messenger dependent protein kinases[J].Plant Physiol,1990,94:1609-1615.

[16]Hayashida N,Mizoguchi T,Shinozaki K.Cloning and characterization of a plant gene encoding a protein kinase[J].Gene,1993,124:251-255.

[17]Lin X,Feng X H,Watson J C.Differential accumulation of transcripts encoding protein kinase homologs in greening pea seedlings[J].Proc Natl Acda Sci USA,1991,88:6951-6955.

[18]Trewavas A J,Rodrigues C,Rato C.Cyclic nucleotides:the current dilemmal[J].Currunt Opinion Plant Biol,2002,5:425-429.

[19]Talke I N,Blaudez D,Maathuis P,et al,CNGCs:prime targets of plant cyclic nucleotide signalling[J]Trends Plant Sci,2003,8:286-293.

[20]Leng Q,Mercier R W,Hua B-G,et al.Electrophysiological analysis of cloned cyclic nucleotide- gated ion channels[J].Plant Physiol,2002,128:400-410.

[21]Kohler C,Neuhaus G.Characterisation of calmodulin binding to cyclic nucleotide-gated ion channels from Arabidopsis thaliana[J].FEBS Lett,2000,4710:133-136.

[22]Hua B G,Mercier R W,Zielinski R E,et al.Functional interaction of calmodulin with the plant cyclic nucleotide gated cation channel[J].Plant Physiol Biochem,2003.41,945-954.

[23]Kurosaki F.Role of inward K+channel located at carrot plasma membrane in signal cross talking of cyclic AMP with Ca2+cascade[J].FEBS Letters,1997,408:115-119.

[24]Tsuruhara A,Tezuka T.The relationship between the self incompatibility and cAMP level in Lilium longiflorum[J].Plant Cell Physiol,2001,42,1234-1238.

[25]Kiriyama H,Nanmori T,Hari K,et al.Identification of the catalytic subunit of cAMP-dependent protein kinase from the photosynthetic flagellateEuglena gracilis[J].FEBS Lett,1991,450:95-100.

[26]Newton R P,Kingston E E,Hakeem N A,et al.Extraction,purifcation,identification and metabolism of 3’,5’cyclic-UMP,3’,5’-cyclic IMP and 3’,5’-cyclic dTMP from rat tissues[J].Biochemical Journal,1986,236:431-439.

[27]Assmann S M.Cyclic AMP as a second messenger in higher plants[J].Plant Physiology,1995,108:885-889.

[28]Bolwell G P.Cyclic AMP,the reluctant messenger in plants[J].Trends in Biochemical Science,1995,20:489-492.

[29]Ehsan H,Reichheld J-P,Roef L.Effect of indomethacin on cell cycle dependent cyclic AMP fuxes in tobacco BY-2 cells[J].FEBS Letters,1998,442:165-169.

[30]Wang T,Sheppard J R,Foker J E.Rise and fall of cyclic AMP required for onset of lymphocyte DNA synthesis[J].Science,1978,201:155-157.

[31]Baroni M D,Monti P,Alberghina L.Repression of growth-regulated G1 cyclin expression by cyclic AMP in budding yeast[J].Nature,1994,371:339-342.

[32]Carre I A,Edmunds LN Jr.cAMP-dependent kinases in the algal flagellateEuglena gracilis[J].Journal of Biological Chemistry,1992,267:2135-2137.

[33]Edmunds L N Jr.Clocks,cell cycles,cancer,and aging.Role of the adenylate cyclase-cyclic AMP-phosphodiesterase axis in signal transduction between circadian oscillator and cell division cycle[J].Annals of the New York Academy of Science,1994,719:77-96.

[34]Roger P P,Reuse S,Maenhaut C.Multiple facets of the modulation of growth by cAMP[J].Vitamins and Hormones[J].Nucleotide Research,1995,51:59-191.

[35]Tong J,Carre IA,Edmunds LN.Circadian rhythmicity in the activities of adenylate cyclase and phosphodiesterase in synchronously dividing and stationary-phase cultures of the achlorophyllous ZC mutant ofEuglena gracilis[J].Journal of Cell Science,1991,100:365-369.

[36]Desdouets C,Matesic G,Molina C A.Cell cycle regula-tion of cyclin A gene expression by the cyclic AMP responsive transcription factors CREB and CREM[J].Molecular and Cellular Biology,1995,15:3301-3309.

[37]Barlat I,Henglein B,Plet A.TGF-beta 1 and cAMP attenuate cyclin A gene transcription via a cAMP responsive element through independent pathways[J].Oncogene,1995,11:1309-1318.

[38]Ward AC,Csar XF,Hofmann BW,et al.Cyclic AMP inhibits expression of D-type cyclins and cdk4 and induces p27Kip1 in G-CSF-treated NFS-60 cells[J].Biochemical and Biophysical Research Communications,1996, 224:10-16.

[39]Baroni MD,Monti P,Alberghina L.Repression of growth-regulated G1 cyclin expression by cyclic AMP in budding yeast[J].Nature,1994,371:339-342.

[40]Oguni I,Suzuki K,Uritani I.Terpenoid induction in sweet potato roots by adenosine 3?,5?-cyclic monophosphate[J].Agricultural Biological Chemistry ,1976,40:1251-1252.

[41]Lee S H,Johnson J D,Wlash M P.Differential regulation of Ca2+/calmodulin-dependent enzymes by plant calmodulin isoforms and free Ca2+concentration[J].Biochem J,2000,350:299-306.

[42]Edmunds LN Jr.Clocks,cell cycles,cancer,and aging.Role of the adenylate cyclase-cyclic AMP phosphodiesterase axis in signal transduction between circadian oscillator and cell division cycle[J].Annals of the New York Academy of Science,1994,719:77-96.

[43]Tong J,Carre I A,Edmunds L N.Circadian rhythmicity in the activities of adenylate cyclase and phosphodiesterase in synchronously dividing and stationary-phase cultures of the achlorophyllous ZC mutant ofEuglena gracilis[J].Journal of Cell Science,1991,100:365-369.

[44]Tong J,Edmunds L N.Role of cGMP in the mediation of circadian rhythmicity of the adenylate cyclase-cyclic AMP-phosphodiesterase system in Euglena[J].Biochemical Pharmacology,1993,45:2087-2091.

[45]Carre I A,Edmunds L N Jr.Oscillator control of cell division in Euglena:cyclic AMP oscillations mediate the phasing of the cell division cycle by the circadian clock[J].Journal of Cell Science,1993,104:1163-1173.

[46]Pasquale S M,Goodenough UW.Cyclic AMP functions as a primary sexual signal in gametes ofChlamydomonas reinhardtii[J].Cell Biol,1987,105:2279-2292.

[47]Pijst H,Van Driel R,Janssens PM W,et al.Cyclic AMP is involved in sexual reproduction ofChlamydomonas eugametos[J].FEBS Lett,1984,174:132-136.

[48]Gilles R,Moka R,Gilles C,et al.Cyclic AMP as an intraspheroidal differentiation signal in Volvox carteri[J].FEBS,1985,184:309-312.

[49]Roef L,Witters E,Gadeyne J,et al.Analysis of 3' :5'-CAMP and adenylyl cyclase activity in higher plants using polyclonal chicken egg yolk antibodies to adenylate cyclase[J],Anal Biochem,1996,233,188-196.

[50]Fagan K A,Schaack J,Zweifach A,et al.Adenovirus encoded cyclic nucleotide-gated channels:a new methodology for monitoring cAMP in living cells[J],FEBS Lett,2001,500:85-90.

[51]Egorov A M,Osipov A P,Dzantiev B B,et al.Teoriya i praktika immunofermentnogo analiza (Theory and Practice of Enzyme Immunoassay)[M].Moscow:Vysshaya Shkola,1991.

[52]Goodenough W Cyclic AMP enhances the sexual agglutinability of chlamydomonas flagella[J].Cell Biology,1989,109:247-253.

[53]Kooijman R,Piet D W,Wies B,et al.Cyclic AMP is one of the intracellular signals during the mating of Chlamydomonas eugametos [J].Planta,1990,181:529-537.

[54]Francisco J L.Gordillo,María Segovia.et al.Cyclic AMP levels in several macroalgae and their relation to light quantity and quality[J].Plant Physiol,2004,161:211-217.