多胺合成介绍

多胺（Polyamines，PAs)）是一类含有两个或更多氨基(-NH2 )的化合物，广泛存在于动植物中，其中腐胺（Putrescine）是多胺生物合成途径的中心产物，主要有两条合成途径：1、鸟氨酸在鸟氨酸脱羧酶（ODC）作用下催化脱羧，生成腐胺；2、精氨酸在精氨酸脱羧酶(ADC)作用下催化脱羧，生成鲱精胺（Agmatine），再脱去一分子氨，经由N-氨甲酰腐胺生成腐胺（Putrescine）。合成的腐胺在亚精胺合成酶（SPDS）的催化下生成亚精胺（Spermidine），亚精胺又在精胺合成酶（SPMS）的作用下生成精胺（Spermine）（如图1）。

图1 多胺生物合成途径

（图源：Handa, Avtar K et al., Front Chem.2018）

多胺生物学意义

在动物研究方面，多胺稳态在细胞环境中受到严格调控，除了在衰老和与年龄相关的记忆丧失中发挥了重要作用，还参与炎症性及自身免疫性疾病，在免疫调节和防御中起着关键作用。在植物研究方面，多胺广泛存在于植物体内并对细胞膜起稳定和保护作用，调节植物的生长发育和衰老退化，参与植物对胁迫的适应。在哺乳动物和植物的生长发育过程中，PAs在广泛的生化和生理过程中发挥着至关重要的作用(如图2所示)。

图2 多胺在植物、人类和动物中的作用

（图源：Handa, Avtar K et al., Front Chem.2018）

疾病研究方向

多胺与自身免疫性疾病

文章题目：Cellular spermine targets JAK signaling to restrain cytokine-mediated autoimmunity

发表杂志：IMMUNITY IF：25.5  2024

免疫代谢物（Immunometabolites）在自身炎症和自身免疫性疾病中很重要，但需要进一步确定。该研究揭示了精胺通过直接结合抑制I/II型细胞因子反应而作为内源性抑制剂。体内给药精胺及其衍生物SD1可减轻小鼠狼疮和牛皮癣的症状。研究亮点：1、精胺抑制JAK1介导的I/II型细胞因子信号；2、精胺占据了JAK1的N-末端口袋，以限制其与受体的结合；3、细胞内精胺含量低可增强红斑狼疮PBMCs中的ISG和狼疮特征；4、精胺及其衍生物SD1减轻了自身免疫性小鼠的病理特征。

图3 精胺及其衍生物直接靶向JAK信号通路抑制自身免疫

（图源：Xu, Henan et al.,Immunity.2024）

多胺与肿瘤

文章题目：Polyamine-mediated ferroptosis amplification acts as a targetable vulnerability in cancer

发表杂志：Nature Communications IF：16.6  2024

铁死亡是一种由脂质过氧化物过载引发的铁依赖性细胞死亡形式，由于对肿瘤代谢特征与铁死亡易感性之间的关联理解有限，因此目前在癌症治疗中以铁死亡为靶点受到阻碍。本研究通过代谢物检测筛选，发现精氨酸-多胺依赖H2O2促进铁死亡，并且多胺合成的关键酶鸟氨酸脱羧酶1（ODC1）显著激活，在细胞内形成铁死亡-铁过载-Wnt/MYC-ODC1-多胺-H₂O₂正反馈回路，进一步放大铁死亡的影响。同时，铁死亡细胞释放含有多胺的细胞外囊泡到微环境中，从而进一步使邻近细胞对铁死亡敏感，并加速铁死亡在肿瘤区域的“扩散”。此外，补充多胺还会通过诱导铁死亡使癌细胞或异种移植肿瘤对放疗或化疗敏感。考虑到癌细胞通常以细胞内多胺池升高为特征，研究结果表明，多胺代谢暴露了铁死亡的可靶向脆弱性，并为癌症治疗策略提供新视角。

图4 细胞内形成的铁死亡-铁过载-Wnt/MYC-ODC1-多胺-H2O2正反馈回路

（图源：Bi, Guoshu et al.,Nat Commun. 2024）

多胺与衰老

文章题目：Polyamine metabolite spermidine rejuvenates oocyte quality by enhancing mitophagy during female reproductive aging

发表杂志：Nature Aging IF：16.6  2023

由于卵巢储备减少和卵母细胞质量下降，高龄是女性不孕的主要危险因素。然而，作为一个重要的影响因素，生殖老化过程中的代谢调节作用知之甚少。本研究应用非靶向代谢组学来鉴定亚精胺作为卵巢中保护卵母细胞抗衰老的关键代谢物。特别是，作者发现老年小鼠卵巢中的亚精胺水平降低，补充亚精胺促进老年小鼠的卵泡发育、卵母细胞成熟、早期胚胎发育和雌性生育力。作者进一步通过转录组分析发现亚精胺诱导的卵母细胞质量的恢复是通过增强老年小鼠的有丝分裂活性和线粒体功能介导的，并且这种作用机制在氧化应激下的猪卵母细胞中是保守的。总之，本研究结果表明，亚精胺补充剂可以作为一种治疗策略来改善单性别的女性和其他高龄孕妇的卵母细胞质量和生殖结局。未来的工作需要测试这种方法是否可以安全有效地应用于人类。

老年小鼠卵巢代谢组学结果分析

图5 补充亚精胺对老龄小鼠卵母细胞转录组水平的影响

（图源：Zhang, Yu et al.,Nat Aging. 2023）

植物研究方向

多胺与植物耐旱

文章题目：SnRK2.4-mediated phosphorylation of ABF2 regulates ARGININE DECARBOXYLASE expression and putrescine accumulation under drought stress

发表杂志：New Phytologist IF：10.323  2023

精氨酸脱羧酶(ADC)介导的腐胺(Put)生物合成在植物非生物胁迫反应中起重要作用。SnRK2s(SNF 1相关蛋白激酶2s)和ABFs(脱落酸响应元件结合因子)，是参与干旱胁迫反应的ABA信号通路的核心成分。以前报道过枳ADC(PtrADC)在耐旱性中的作用。然而，在干旱胁迫下，SnRK2和ABF是否以及如何调节PtrADC来调节腐胺积累仍不清楚。本研究采用了一系列生理、生化和分子方法来揭示由PtrSnRK2.4和PtrABF2组成的蛋白质复合物通过直接调节PtrADC来调节腐胺生物合成和耐旱性。

图6 SnRK2.4介导的ABF2的磷酸化调节干旱胁迫下的二胺腐胺积累

（图源：Song, Jie et al.,New Phytol. 2023）

多胺与叶片衰老

文章题目：Metabolic control of arginine and ornithine levels paces the progression of leaf senescence

发表杂志：Plant Physiology IF：8.005  2022

黑暗或者遮阳是一种常见的诱导叶片衰老的因素。本研究以模式植物拟南芥为研究对象，通过正向遗传学筛选鉴定到一个具有高度延迟暗诱导衰老的保持绿色等位基因-光敏色素相互作用因子5（pif5）。代谢组研究发现，精氨酸和鸟氨酸在暗处理的pif5突变体中积累，可能是由于缺乏诱导氨基酸(AAs)运输，可以通过促进三羧酸循环或多胺(PAs)的产生来延缓衰老的进程。其次，研究还发现腐胺向亚精胺(SPD)的转化受年龄依赖性控制。并证明SPD通过稳定乙烯结合因子1和2 (EBF1/2)复合物来干扰乙烯信号传导，从而抑制衰老。

图7 多胺调控叶片衰老的分子机制

（图源：Liebsch, Daniela et al.,Plant Physiol. 2022）

拜谱小结

多胺是一类含有两个或更多氨基的化合物、广泛存在于动物、植物及微生物中，其合成的原料主要为精氨酸和鸟氨酸，关键酶是精氨酸脱羧酶和鸟氨酸脱羧酶，研究最普遍同时具有重要生理功能的多胺是腐胺，亚精胺，精胺等。多胺的功能包括细胞分化、细胞增殖、基因调控、细胞信号传导和细胞凋亡。多胺与细胞分子广泛相互作用，并在体内发挥各种关键功能。因此多胺检测在研究植物生长发育和医学研究等方面均有重要意义。

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检测范围“广”：适用多种生物样本类型，如细胞、动植物组织、微生物、体液等

检测流程

送样建议

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参考文献

1. Handa AK,Fatima T,Mattoo AK. Polyamines: Bio-Molecules with Diverse Functions in Plant and Human Health and Disease. Front Chem. 2018;6:10. doi:10.3389/fchem.2018.00010

2. Xu H,Zhang X,Wang X, et al. Cellular spermine targets JAK signaling to restrain cytokine-mediated autoimmunity. Immunity. 2024;:. doi:10.1016/j.immuni.2024.05.025

3. Bi G,Liang J,Bian Y, et al. Polyamine-mediated ferroptosis amplification acts as a targetable vulnerability in cancer. Nat Commun. 2024;15 (1):2461. doi:10.1038/s41467-024-46776-w

4. Zhang Y,Bai J,Cui Z, et al. Polyamine metabolite spermidine rejuvenates oocyte quality by enhancing mitophagy during female reproductive aging. Nat Aging. 2023;3 (11):1372-1386. doi:10.1038/s43587-023-00498-8

5. Song J,Sun P,Kong W, et al. SnRK2.4-mediated phosphorylation of ABF2 regulates ARGININE DECARBOXYLASE expression and putrescine accumulation under drought stress. New Phytol. 2023;238 (1):216-236. doi:10.1111/nph.18526

6. Liebsch D,Juvany M,Li Z, et al. Metabolic control of arginine and ornithine levels paces the progression of leaf senescence. Plant Physiol. 2022;189 (4):1943-1960. doi:10.1093/plphys/kiac244