全 文 ：生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN·综述与专论· 2008年第5期
收稿日期:2008-03-11
基金项目:国家863项目(2006AA10Z413)
作者简介:王智(1981-),男,在读硕士研究生,从事环境生物技术研究;E-mail:wz116280@sina.com
通讯作者:许雷,研究员;E-mail:xuleimgd@yahoo.com.cn,Tel:010-68919695
无机的多聚磷由磷酸脂键连接起来的线性磷
聚合体(polyphosphate),在每个细胞都有发现,而且
可能在生命起源之前就存在[1]。多聚磷与多种生物
学功能相关。磷酸盐及高能磷酸键的储藏库,金属
离子螯合剂,提供对抗碱环境的缓冲能力,作为
DNA进入细胞的通道[2]。多聚磷对于细菌代谢转化
到稳定期起着关键作用[3]。
尽管大肠杆菌细胞内没有可见的多聚磷颗粒,
1957年 Kornberg等[4]发现大肠杆菌细胞提取物中
有一类蛋白质具有下述活性,转移 ATP的末端磷
酸基团到多聚磷及转移多聚磷的末端磷酸基团到
ATP。不久以后就将该蛋白质命名为聚磷酶(polyph
osphatekinase,PPK)。
1 聚磷酶的分子生物学研究
1992年,Kornberg等[5]从大肠杆菌中获得 ppk
序列(编码聚磷酶的基因)及推测的 ppk基因上游
启动子序列。此后陆续在 Salmonelatyphimurium,
Shigelaflexneri,Vibriocholerae,Helicobacterpylori,
Klebsielapneumoniae及 Pseudomonasaeruginosa等
细菌中获得相应的 ppk基因序列[6~9]。
现已发现聚磷酶主要具有如下催化能力[10]。1)
转移 ATP的末端磷酸基团到 polyphosphatenATP→
polyPn+nADP;2)转移 polyphosphate的末端磷酸基
团到 ADP,形成 ATPpolyPn+nADP→nATP;3)转移
polyphosphate的末端磷酸基团到 GDP,形成 GTPpoly
Pn+nGDP→nGTP;4)转移 polyphosphate的一个焦
磷酸基团到 GDP,形成 ppGpppolyPn+GDP→poly
Pn-2+ppGpp。
Zhu等[11]于 2005年公布了大肠杆菌聚磷酶的
晶体结构,并通过 AMPPNP(β-γ-酰亚胺腺苷 5磷
酸盐,ATP类似物)研究了大肠杆菌聚磷酶催化多
聚磷的合成机制。
多聚磷和聚磷酶研究进展
王智 许雷
(中国农业科学院研究生院生物化学与分子生物学实验室,北京 100081)
摘 要: 多聚磷在生物体内广泛存在,并且发挥重要作用。生物体内的多聚磷是由聚磷酶催化合成的。概述了多聚
磷的生物学功能,聚磷酶的功能及多聚磷和聚磷酶的应用。
关键词: 多聚磷 聚磷酶
ProgressoftheResearchonPolyphosphateand
PolyphosphateKinase
WangZhiXuLei
(LaboratoryofBiochemistryandMolecularBiologyGraduateSchoolofChineseAcademyofAgriculturalSciences,
Beijing100081)
Abstract: Inorganicpolyphosphatehasbeenfoundtobewidelydistributedinlivingthing,from bacteriato
mammals.PPKisresponsibleforsynthesisofpolyphosphatepolymerizingterminalphosphateofATPtoapolyphosphate
in a freely reversible reaction.Folowing two subjectswere discused,including:1)the physiologicalfunction of
polyphosphate,and2)novelfunctionsofpolyphosphatekinase(PPK)andasociatedapplications.
Keywords: Polyphosphate PPK
生物技术通报Biotechnology Buletin 2008年第5期
2 聚磷酶和多聚磷重要生物学功能
Jahid等[12]构建了敲除了 ppk基因的霍乱弧菌
突变株(多聚磷含量急剧下降),发现该突变株在低
磷培养基上对低 pH,高盐,氧化应激非常敏感,而
且不能产生接触酶。推断 polyP增强了霍乱弧菌低
磷环境下适应环境压力的能力,这也许是有毒的霍
乱弧菌能够在氮/磷缺乏的河水和海水中生存下来
的原因。
Stumpf和 Foster[13]通过试验证明,无论是聚磷
酶的缺乏 (将导致细胞内多聚磷含量低于正常水
平),还是聚磷酶的过量表达(将导致细胞内多聚磷
含量高于正常水平),都会抑制自适应变异。这说明
适当的多聚磷含量对自适应变异是必需的,而自适
应变异主要是由于 DNA聚合酶的易错修复产生。
这暗示存在一种新的调控机制,多聚磷直接或间接
调控 DNA聚合酶的活性或者保真度。
Chouayekh和 Virole[14]认为在链霉菌的抗生素
产生过程中,聚磷酶起负调控作用。构建了链霉菌
突变株(敲除了 ppk基因),将该突变株在 R2YE固
体培养基(添加 0.37mMKH2PO4)培养,发现放线紫
红素产量明显增加。据推测,聚磷酶起负调控作用
原因是聚磷酶合成的多聚磷抑制了链霉菌抗生素
合成途径中一些激活蛋白的表达或活化作用。
Nagata等[15]将细菌的 ppk基因转入烟草中,然
后将该转基因烟草于含有有毒浓度 Hg2+培养基培
养。发现 Hg2+并未导致 ppk-转基因烟草发生任何形
态学上的变异,ppk-转基因烟草正常生长,开花,产
籽。ppk-转基因烟草与野生型相比更能抵抗 Hg2+的
毒害,并吸收更多的汞。基于 ppk基因在转基因烟
草中表达产生的试验结果证明这可能提供了一种
针对汞污染的植物修复方法。
Kameda等[16]将聚磷酶(PPK)和多聚磷-AMP磷
酸转移酶(PAP)结合起来设计了一种新的 ATP再
生系统。在反应中,ATP从 AMP再生了 39.8次,而
99.5%的辅酶 A转换成了乙酰辅酶 A。由于该系统
能将 GMP再生成 GTP,因此也可以作为 GTP再生
系统。
McInerney等[17]调查了大肠杆菌中多聚磷和蛋
白质合成之间的关系。观察到在体外 polyP与大肠
杆菌核糖体结合在一起。同时发现,ppk突变体(导
致多聚磷含量急剧下降)内的多聚核糖体含量相对
野生型而言要低不少,说明 ppk突变体 mRNA利用
率或者说 mRNA与核糖体相互作用下降。此外,ppk
突变体的蛋白质错译率较野生型更高,并显示了更
高的通读率。McInerney等[17]认为,这些结果说明多
聚磷在维持蛋白质最佳翻译效率上起重要作用。
聚磷酶对于运动性,群体效应和生物膜形成是
必要的,这对具抗生素抗性的临床上重要病原体有
重要意义[8,18~20]。聚磷酶也是有毒因子释放的重要
因素[20]。ppk-敲除的细菌和聚磷酶特异性抑制剂显
示,聚磷酶是一个有研发前景的抗菌剂药物,而且
聚磷酶抑制剂的作用机理可能与现有抗生素截然
不同[21]。多聚磷为静止期细胞生存所需要,聚磷酶
抑制剂可以根除处于静止期(未进行繁殖)的细
菌[12,22]。
Zhu等[11]认为,一个明显的设计聚磷酶抑制剂
(可能是一种新类型的抗生素)的靶位点,是聚磷酶
独特的 ATP结合口袋,这个疏水口袋对设计聚磷
酶抑制剂可能特别重要的。孔道的其它部分对于
ATP竞争性抑制剂也可以提供一个广大的药物口
袋。除此之外,聚磷酶的二聚化对多聚磷(正向反
应)和 ATP的合成(反相反应)至关重要[10],能阻止
PPK二聚化的复合物,也可能是有力的聚磷酶抑制
剂。
3 结语
多聚磷是由 3~1000多个不等的正磷酸盐基
团由高能磷酸键连接而成的线性多聚体,广泛存在
于生物体内(细菌,真菌及哺乳动物)[23]。随着对多
聚磷及聚磷酶(催化多聚磷生成)的研究,揭示了多
聚磷广泛参与生物体的关键生命活动,储藏磷酸盐
及高能磷酸键,螯合金属离子,缓冲碱环境,增强适
应环境压力的能力,维持最佳翻译效率,对于运动
性,群体效应和生物膜形成是必要的[7,8,12,15~20,24]。
多聚磷在生命体的普遍存在暗示其在生命活
动及生物进化中发挥着重要作用。但与其它多聚物
相比(如糖,脂,蛋白质,核酸),对多聚磷的功能了
解不多,对多聚磷是如何发挥作用的更是知之甚
少。对这个可能在生命形成以前就存在的多聚物,
随着更多研究结果的报道,将发现其在生物学上真
正的地位,揭示其在生命进化中所发挥的重要作
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2008年第5期
(上接第47页)
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3 结语
HCV一旦突破机体的天然防御屏障导致感
染,机体即可产生相应的免疫反应,但几乎针对免
疫应答的每一步骤,HCV病毒都发展了相应的免
疫逃逸机制以确保自身的存活,这种病毒突变是
HCV慢性感染化、药物治疗不反应和疫苗研究困
难重重的根本原因。建立在已经成熟的实验技术的
基础上,包括对 HCV基因型测定技术及 HCV多样
性分析技术等,利用理想动物模型和体外细胞培养
体系的逐渐成熟,深入研究不同选择压力下变异引
起的免疫逃逸机制,明确免疫逃逸和 HCV病程的
相关性,最终建立有效控制 HCV感染的措施。
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