【doc】脑中磷脂酰丝氨酸（PS）的合成

【doc】脑中磷脂酰丝氨酸（PS）的合成 脑中磷脂酰丝氨酸(PS)的合成 2OO5年12月 第2o卷第4期 山东师范大学(自然科学版) JournalShandongNormalUniversity(NaturalScience) Dec.2005 Vd.2ONo.4 脑中磷脂酰丝氨酸(PS)的合成* 王永敏孙忠军 (1)L[I东轻工业学院食品与生物工程学院,250100,济南;2)山东师范大学生命科学学院,250014,济南?第一作者41岁,女,副教授) 摘要脑中磷脂酰丝氨酸(Ps)是在基团交换酶作用下生成的.在神经细胞膜上基团交换产生Ps的能力大,活性高.25天的 大鼠的胎鼠脑神经元,C1300鼠成神经细胞瘤,138MG人胶质细胞系,PC12细胞系均可作为细胞工程合成Ps的种子细胞.二十二碳 六烯酸,乙醇,丝氨酸,胆碱,乙醇胺NGF和SBEE是调节Ps合成的重要因素.Ps分子群的研究是生物定向合成某种Ps的必然. 关键词脑;磷脂酰丝氨酸;基团交换;生物合成;细胞工程 中图分类号Q545.1 磷脂酰丝氨酸(Phosphafidylserine,PS)具有增强记忆,抗老年性痴呆的作用.是细胞信号转导成分,在理论和应用中具有重 大价值.PS在植物和微生物中含量极少,在动物脑中含量最高.研究动物脑PS的合成对解决细胞工程制备PS的关键问题有 指导意义.如种子细胞的筛选,基团交换活性酶的筛选与克隆以及影响PS合成的因素等.本文综述国内外科学家在这方面的 研究,为实验研究的深入提出见解. 1基团交换反应和基团交换酶 脑中PS的合成是一个基团交换酶催化下的基团交换反应.基团交换实际上是一种互变反应,因为它可以通过含氮基团 与其它基团的交换将先前存在于细胞膜磷脂的极性头部进行修饰.因此在PS形成过程中,丝氨酸将会与细胞膜上的磷脂酰 乙醇胺(Phosphafidylethanolmnine,PE)中的乙醇胺或磷脂酰胆碱(Pl108p}dylcholine,PC)中的胆碱进行交换,基团交换反应只需 ca2,无需能量.基团反应并不仅限于PS的合成,因为胆碱与乙醇胺基团交换也可以形成相应的Pc和PE,但是胆碱与乙醇胺 基团交换并不是十分重要,因为这两种磷脂可以从头合成;但当在某些区域,细胞膜成分快速改变时,在一定环境下,通过基 团交换合成的PE和Pc的可能性是相当高的.实际上,细胞膜中的受体,载体以及酶等功能都受与其相联系的脂类的控 制?. 基团交换是在基团交换酶催化下进行的.许多实验已证明不止有一种酶能催化丝氨酸,胆碱以及乙醇胺之间的交换,而 且通过许多实验,如酶的分离等获得了结论. 脑组织中一种酶可以同时利用乙醇胺和丝氨酸,但基团交换结果存在多样性,最适反应条件,最适测定条件,力学因素 等.所以基团交换酶的数量及专一性影响交换反应的效果.另外,用微粒体分离的媒介组分差异也可导致结果的多样性.例 如:当脑微粒体处于含有2mol/LHepes(pH=8)和1mol/LEDTA所构成的媒介时,具有最高的基团交换活力,而若用UIT代替 EDTA其酶活力大大降低J.再者,酶鉴定前的预处理可能会导致胆碱,乙醇胺,丝氨酸交换活力的丧失. 从鼠脑微粒体中分离纯化出了一种酶,这种酶拥有催化丝氨酸和乙醇胺交换的能力j.这种酶在SDS—PAGE中呈唯一条 带,分子大小约为100kDa.而且,随着这种酶纯度提高,乙醇胺的交换能力高于丝氨酸交换能力.丝氨酸与乙醇胺在和磷脂结 合过程中存在竞争性抑制,尽管乙醇胺与磷脂亲和力强,但丝氨酸含量高,而且丝 氨酸转化为Ps反应最大催化速率为乙醇胺 转化为PE的8倍j.这也表明,通过增加丝氨酸的底物量可使基团交换反应向利于Ps合成的方向进行,加大PS合成. 在识别基团交换酶的过程中采用的是中国仓鼠CHO细胞作为模型.CHO细胞中存在两种不同的丝氨酸交换酶,分别为 PS合成酶I(PSS1)和Ps合成酶?(PsS?).其中PSSI利用胆碱,乙醇胺和丝氨酸作为交换基团.而PSS?不能利用胆碱】. 通过克隆CHO细胞的cDNA而获得PSSI和PSS?.PSSI利用除Pc以外的磷脂作为底物,而PSS?只利用PE【.哺乳动物肝 脏编码PSSI和PSS?的cDNA已经被克隆和表达.引. 人们对哺乳动物肝脏和肝癌细胞的细胞膜上PSSI和PSS?的性质和哺乳动物PSSI基因在不同组织中的表达进行了研 究?j,结论是这两种酶仅存在于与线粒体相关的细胞膜上,而在微粒体中不存在.蛋白质印迹分析得出PSSI为42kI)a. PSS?为52kDa,与前文报道不同,所以PSSI和IxSS?都不能解释酶在脑中仅存在丝氨酸交换,而在微粒体中丝氨酸和乙醇胺 的交换活力高. 由于在生物体细胞膜中几种磷脂分子的共存和在重构分析体系中磷脂底物不同的物理性质导致磷脂底物专一性研究比 较复杂. Porellafietal报道了体外采用放射性乙醇胺,胆碱和丝氨酸标记的肝微粒体作跟踪实验,而证明新合成的PC,PE,PS能做 *山东省自然科学基金资助项目(Y2004D03) 收稿日期:20O5—05—30 第4期王永敏等:脑中磷脂酰丝氨酸(Ps)的合成81 为脂类底物参与到基团交换反应.Ps,Pc可以与三种基团交换,而PE只能与丝氨酸和乙醇胺进行交换.通过基团交换合成磷 脂.这些结果与PE,Pc能激发放射性丝氨酸在鼠脑中与磷脂结合的观察结果一致. 体内PE与丝氨酸进行基团交换已通过试验证明.在体内丝氨酸和乙醇胺是受微量渗析控制的,而且在细胞外也分别观 测到丝氨酸与乙醇胺的释放. Ps具有独特的分子结构,在基团交换中,丝氨酸交换基团对2位上有DHA的不饱和分子更易被选择.所以,含有DHA的 PE和PC更易转变成Ps. 2脑基团交换反应的细胞和细胞内定位 通过基团交换合成Ps主要发生在内质网上,用标记的丝氨酸通过基团交换合成Ps也发生在其他的细胞器膜上,从兔脑 中制备神经胞体质膜具有最高的丝氨酸基团交换的比活度.在突触小体上也存在丝氨酸基团交换的活性.而在那里高效的Ps 的合成发生在突触小泡上.丝氨酸和乙醇胺合成神经胶质细胞中相对应的磷脂.将神经细胞和神经胶质细胞基团交换酶的活 性进行比较,神经细胞体质膜基团交换产生Ps比神经胶质细胞膜的能力更大,活性更高.[isJ 3脑中Ps合成的发育模式 通过测量膜中丝氨酸基团交换酶活性,用标记的丝氨酸测量脑中各不同部位的切片和胞浆液中合成的Ps,证明Ps的合 成依赖于大脑不同的发育阶段.在大脑发育的第25天,脑颗粒细胞鞘磷脂的沉积作用达到最高效率时,Ps发育模式出现最高 峰,第二个峰大约出现在2个月左右.乙醇胺与胆碱的基团交换发育模式相似.发育也影响细胞质中丝氨酸基团交换酶(Serine basea(c}珀u噼enzymes,SBEE)的活性.在发育的第14天,内质网膜SBEE活性比线粒体,溶酶体,髓鞘和突触小体SBEE的活性 低.在2个月时整个脑SBEE活性均较低,在25个月时SBEE活性增加,一些实验表明,年龄可影响Ps的合成[16-IS]. 从新生时至4周龄",从14—6o天龄鼠脑切片研究显示,丝氨酸结合成Ps的比率减少.如将脑匀浆后再测量结果也 相似. 在发育过程中Ps合成的调节依赖于不同酶异构体的系列表达,也依赖于sBEE活性下调现象.细胞的分化也在Ps合 成中起了一定的作用.实际上C1300鼠成神经细胞瘤的分化就增加了丝氨酸和乙醇胺基因交换. 在138MG人胶质细胞系和在Pc,:细胞系,用NGF诱导分化,标记的丝氨酸合成Ps增加. 4二十二碳六烯酸(Doeosahexaenoicacid,DHA)i~乙醇胺对神经组织Ps生物合成的影响 鼠脑微粒体ct,一3分子种类减少,以基团交换方式标记的丝氨酸合成的P=s比对照少引.然而,在鼠脑突触小体,因饲料缺 乏ct,一3系列,影响丝氨酸和乙醇胺合成为Ps和PE.在神经细胞和PC12细胞培养液中加入丝氨酸和脂肪酸研究DHA对Ps合 成的影响时发现,用NGF刺激Ps合成,但不管NGF是否诱导细胞分化,DHA合成为Ps均增加.因为花生四烯酸对丝氨酸合成 Ps无影响,所以这个结果具有特殊性.C,6胶质细胞也如此].在合成的Ps中,18:0/22:6(m一3)比花生四烯酸多的多24].如 在培养液中加入20—50mmol/L的乙醇,C一6胶质细胞DHA合成Ps效果降低.如不加DHA,所加入的乙醇减少了丝氨酸或乙 醇胺合成相应Ps和PE的量.由此引起的极为有趣的问题是乙醇影响丝氨酸结合成Ps和其他的基团交换. 在培养的神经胶质细胞,乙醇可以在磷脂酶催化下合成为磷脂酰乙醇】.这表明Ps合成的减少量和磷脂酰乙醇合成的 增加是相关的.说明乙醇有调节或改变Ps合成代谢的能力.乙醇影响了信号转导系统,改变了脑细胞膜的功能驯.但也有 相反的报道说乙醇增)JIT大鼠脑皮质Ps含量和胶质类突触质膜Ps含量】,且对Na一KA胛?酶也有短暂影响,在杂交 NG108—15细胞中,乙醇刺激丝氨酸结合为Ps,且处理2天后Ps增加】. 然而对照组和接受乙醇饲喂的5天龄大鼠脑切片Ps生物合成活性降低.在脑皮质内注射放射活性的丝氨酸,由于乙 醇的作用,Ps放射活性减少即PS合成减少.Pc,Ps,PE的基团交换或相互转变无差异.这表明在成年脑,乙醇所起的效果有 差异.[篮? 这也许与该发育期基团交换酶(sBEE)性质的差异有关.在发育中对低氧变化的敏感性观察支持了这种可能性】.Wojcik 等也报告了乙醇可使C一6神经胶质细胞Ps合成减少.但在所有相同的实验条件下乙醇却使人NG108—15细胞和其微粒 体丝氨酸结合成Ps的合成增加.乙醇影响负电荷磷脂的变化】. 在估计C,6胶质细胞和NG108—15细胞关于乙醇在Ps合成的影响时,指出C一6细胞是变形的非兴奋性胶质细胞】, 这种细胞不含有电压门和配体门ca2通道.相反NG108—15细胞和其他神经细胞系是可兴奋性细胞】.可以结论:乙醇影响 Ps合成,这种影响也和细胞种类及发育时期有关. 以上研究说明:在C一6细胞,乙醇有减少DHA和Ps结合的短暂效果.对这些细胞合成PS的抑制作用是极大的.乙醇 对PS合成的抑制也与含DHA的Ps的存在有关.在鼠脑线粒体和鼠脑的突触膜,DHA消耗来自于Ps【"】.由此来看,我们还 应该进一步研究比较存在于C一6细胞和NG108—15细胞Ps的分子种类.而各个Ps分子结构和性质的研究是细胞工程制备 某种Ps的不可逾越的步骤. 82山东师范大学(自然科学版)第20卷 综上所述,大鼠25天胎鼠脑神经元Ps合成达到高峰,就目前细胞培养技术,这个时期脑神经元还可培养,而神经细胞膜 基团交换产生Ps能力大,活性高,所以这个时期的脑神经细胞和C1300鼠成神经细胞瘤,138MG胶质细胞系,PS12细胞系均可 作为Ps合成基团交换活性酶选择,基因克隆以及Ps合成影响因素研究的细胞.DHA,乙醇,丝氨酸,胆碱和乙醇胺等是调节Ps 合成的重要因素.Ps分子群中各个分子的结构性质的研究有益于对细胞信号转导 过程中信息分散或整合的阐释,增强记忆的 最佳Ps的筛选则有利于Ps的定向合成,应用和生产. 5参考文献 [1]Bj州eKs.TheC2一 dependentbiosynthesisoflecithin,pho~phatidylethandamineandpIIo~hatidyl~l-ineinratliversubcellularparticles[J].Biochem Bi0phyBAeta,1973,296:549—562 [2]GdtiAD,MedioGE,BnmettiM,eta1.P~pertlesarmf~nctlenoftheuIn—depentin呷a蛀 ?ofcholine,ethanolamineandserineintothe phospholipidsofisolatedratbrainmierosom~[J].jN~hem,1974,23:ll53一ll59 [3]BuehamnAG,K~lferJN.Theeffectsofvariousincubationtemperatures,cisolation,andpossibleroleofcalmoddin0ntheactiIy0fthebase a.d1aIIenzymesofratbrain[J].JNettrochem.1980,35:815-822 [4]SuzukiTT,KartforJN.Purificationandpropertiesofanethanolamine— 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Keywordsbrain;phosphatidylserine;baseexchange;biosynthesis;cellengineering