多色素性的花青素結(jié)構(gòu)、合成與運(yùn)輸

多色素性的花青素結(jié)構(gòu)、合成與運(yùn)輸

1.黑色結(jié)構(gòu)、組成和運(yùn)輸。黑色素(melanin)是一種生物多聚體。它廣泛存在于人和動(dòng)物皮膚,毛發(fā)和眼睛中。動(dòng)物黑色素可分為兩類,一是真黑色素(eumelanin),不含硫原子,呈棕色或黑色;二是脫黑色素(pheomelanin),含硫原子,呈黃色或微紅棕色。動(dòng)物與人的皮膚毛發(fā)色素沉著決定于其所含真黑色素與脫黑色素的相對(duì)數(shù)量。脊椎動(dòng)物黑色素的合成與酪氨酸酶(tyrosinase)密切相關(guān)。體內(nèi)酪氨酸在酪氨酸酶催化下生成3,4二羥基丙苯氨酸即多巴,多巴進(jìn)一步氧化生成多巴醌,多巴醌經(jīng)多聚化反應(yīng)與氧化反應(yīng)生成多巴色素,在多巴色素異構(gòu)酶作用下,多巴色素羥化為5,6二羥基吲哚羧酸(DHICA),脫羧成5,6二羥基吲哚,再在酪氨酸酶催化下氧化成5,6吲哚醌,最后與其它中間產(chǎn)物結(jié)合形成真黑色素。脫黑色素的形成其前部分-由酪氨酸到多巴醌與真黑色素一致,但在以后的反應(yīng)中有半胱氨酸(Cys)參加,產(chǎn)生Cys-多巴和Cys-多巴醌,通過(guò)關(guān)環(huán),脫羧,最后形成脫黑色素。黑色素合成發(fā)生在黑色素細(xì)胞中,這是一種來(lái)自神經(jīng)脊的細(xì)胞。黑色素細(xì)胞合成黑色素的特定細(xì)胞器是黑素體。正常人表皮黑素細(xì)胞既合成真黑色素,也合成脫黑色素。對(duì)黑色素的超結(jié)構(gòu)分析表明,脫黑色素的合成可通過(guò)球狀黑素體的存在來(lái)鑒定,而真黑色素的合成歸功于橢圓黑素體。色素表型的實(shí)現(xiàn)與黑色素細(xì)胞、黑色素及底物的遷移和運(yùn)輸密切相關(guān)。以皮膚色素為例。成黑素細(xì)胞從胚胎起源地-神經(jīng)脊遷移到特定靶位點(diǎn)-表皮和發(fā)囊,在這里成熟為黑色素細(xì)胞,分化的細(xì)胞在特定的細(xì)胞器-黑素體中產(chǎn)生黑色素。隨后,黑色素細(xì)胞延伸形成樹突,經(jīng)樹突頂部它們提供成熟的黑素體進(jìn)入角質(zhì)細(xì)胞,導(dǎo)致皮膚黑色素。色素過(guò)程的重要階段是黑素體從它們的核周胞質(zhì)起源位置轉(zhuǎn)移到樹突頂部。近年來(lái)研究表明,基于微管和肌動(dòng)蛋白的細(xì)胞器運(yùn)輸在色素顆粒的運(yùn)輸中起重要作用。此外,底物的運(yùn)輸也是至關(guān)重要的,如在鼠黑色素細(xì)胞中存在中性氨基酸運(yùn)載體,這種運(yùn)輸系統(tǒng)使酪氨酸得以進(jìn)入黑色素細(xì)胞。2黑色素生物合成的調(diào)節(jié)與信號(hào)傳導(dǎo)黑色素的形成須經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜過(guò)程:黑色素細(xì)胞的成熟、黑色素的生物合成到合成的后黑色素運(yùn)輸?shù)教囟ú课?每一階段均受許多信號(hào)分子與特定成分的調(diào)節(jié)和限制。對(duì)黑色素的形成機(jī)制與調(diào)節(jié)目前仍在探索之中。下面對(duì)部分調(diào)節(jié)的研究情況作簡(jiǎn)單介紹。(1)信號(hào)分子與傳導(dǎo)通路。目前已知至少有三種信號(hào)傳導(dǎo)通路-腺苷酸環(huán)化酶、蛋白激酶C和酪氨酸激酶存在于黑色素細(xì)胞中,活化其中一個(gè)通路可激化細(xì)胞增殖或黑色素合成。如黑色素皮質(zhì)素受體1(melanocortin-1receptor,MClR)在黑色素合成的信號(hào)途徑中起關(guān)鍵作用,其與興奮劑(alpha-melanocytestimulatinghormone,α-MSH,α-黑色素細(xì)胞刺激激素)或者與抑制劑(AgoutiSignalProtein,ASP,鼠灰色蛋白)的結(jié)合使真黑色素或脫黑色素的合成受激發(fā)或抑制,導(dǎo)致哺乳動(dòng)物皮毛顏色差異。(2)酶與底物。酪氨酸酶活性高低可導(dǎo)致真黑色素與脫黑色素合成轉(zhuǎn)換。高水平的酪氨酸酶活性導(dǎo)致真黑色素產(chǎn)生,當(dāng)活性降低時(shí),體內(nèi)過(guò)量的谷胱甘肽(GSH)與多巴醌結(jié)合,最后導(dǎo)致脫黑色素產(chǎn)生。(3)激素與神經(jīng)肽。如前列腺素和腎上腺素可通過(guò)激活cAMP系統(tǒng)刺激黑色素細(xì)胞的生長(zhǎng)和分化。(5)其它。色素過(guò)度常常伴隨慢性或急性炎癥,許多炎癥介質(zhì)顯示刺激人類黑色素細(xì)胞的黑色素合成。如炎癥因子組胺經(jīng)H-2受體通過(guò)蛋白激酶A活化,誘導(dǎo)培養(yǎng)的人類黑色素細(xì)胞的黑素合成。3黑色素基因及其變異盡管色素表型性狀(如人類膚色與發(fā)色、豬的毛色、雞的羽色與膚色等)相對(duì)于其它可視性狀多態(tài)性最高,表型差異難以統(tǒng)計(jì)與區(qū)別,給遺傳學(xué)與分子機(jī)制研究帶來(lái)一定困難,但由于動(dòng)物黑色素性狀本身的重要性,人們對(duì)人、豬、牛、馬,狐貍、貓、禽類等動(dòng)物黑色素形成及相關(guān)調(diào)控仍進(jìn)行了大量研究。研究表明,黑色素的生物合成是由多個(gè)基因位點(diǎn)編碼產(chǎn)物共同調(diào)控的結(jié)果。到目前為止,在哺乳動(dòng)物中已知調(diào)節(jié)色素的80個(gè)以上基因有約25%被克隆和鑒定。這些編碼蛋白有幾乎一半特異或非特異定位于黑素體。這些基因變異導(dǎo)致色素表型或其它多效應(yīng)表型改變。在人中,多個(gè)與黑色素相關(guān)的基因已被克隆,如酪氨酸酶基因、酪氨酸酶相關(guān)蛋白1和2基因、促黑色素?cái)U(kuò)散激素基因、α黑色素皮質(zhì)素1基因、黑色素皮質(zhì)素1受體基因等。人類三種眼皮白化病(OculocutaneousAlbinism,OCA)即由這些黑色素相關(guān)基因的變異引起。在鼠中,已有近30多個(gè)皮毛顏色基因被克隆,一些基因的功能被闡明。如白化(albino)位點(diǎn)C編碼酪氨酸酶,濃黑灰色(slaty)位點(diǎn)Slt編碼酪氨酸酶相關(guān)蛋白2(TRP2,即多巴色素異構(gòu)酶,Dct),棕色(brown)位點(diǎn)B編碼酪氨酸酶相關(guān)蛋白1(TRPl),銀色(silver)位點(diǎn)Si編碼黑素體銀蛋白,鼠灰色(agouti)位點(diǎn)A編碼鼠灰色信號(hào)蛋白(ASP),擴(kuò)展(extension)位點(diǎn)E編碼黑色素皮質(zhì)素受體1(MClR),赤褐色(mahogany)位點(diǎn)Mg編碼attractin。鼠灰色基因無(wú)編碼區(qū)域的顯性變異導(dǎo)致黃毛表型,異位表達(dá)導(dǎo)致肥胖、II型糖尿病、體細(xì)胞生長(zhǎng)與腫瘤產(chǎn)生,這些多效效應(yīng)至少有一部分可能是黑色素皮質(zhì)素受體家族受鼠灰色蛋白對(duì)抗產(chǎn)生。在豬中,通過(guò)雜種檢測(cè)已知道與豬毛顏色相關(guān)的幾個(gè)遺傳位點(diǎn)。它們是鼠灰色(agouti)位點(diǎn)A、棕色(brown)位點(diǎn)B、白化(albinism)位點(diǎn)C、淡化(dilution)位點(diǎn)D、擴(kuò)展(extension)位點(diǎn)E、白色(white)位點(diǎn)I,白頭或海福特(whitehead或hereford)位點(diǎn)He等。擴(kuò)展位點(diǎn)E和白色位點(diǎn)I已在分子水平上被闡明,它們分別編碼黑色素皮質(zhì)素受體1(MClR)和肥大/干(mast/stem)細(xì)胞生長(zhǎng)因子受體(KIT)。這些基因編碼產(chǎn)物相互作用,通過(guò)一定的信號(hào)途徑調(diào)節(jié)黑色素的生物合成。MClR基因變異與包括小鼠、牛、馬、狐貍、家雞等許多動(dòng)物中的毛皮顏色差異有關(guān)。如MClR可能是紅花和具有不良曬黑反應(yīng)皮膚類型的候選基因。MClR功能喪失使黑白花牛產(chǎn)生紅膚色表型。MClR基因LyspiGlu是黑色Rockcornish雞的特異性變異,推測(cè)其與Rockcornish雞的黑色素沉著有關(guān)。在魚中,也有幾個(gè)黑色素相關(guān)基因被克隆和鑒定。如魚的i位點(diǎn)負(fù)責(zé)酪氨酸酶表達(dá),幾個(gè)變異位點(diǎn)已被鑒定。如i(1)/i(1)表現(xiàn)完全白化表型,i(4)/i(4)表現(xiàn)半白化表型。i(1)和i(4)基因的克隆和測(cè)序結(jié)果表明,i(1)在第1個(gè)外顯子插入了一個(gè)1.9kb轉(zhuǎn)位因子,i(4)在第5個(gè)外顯子插入了一個(gè)4.7kb轉(zhuǎn)位因子。6烏骨雞的黑色素相關(guān)研究禽類黑色素的研究已有近一個(gè)世紀(jì)。家禽中烏骨雞是一種變異雞種,后經(jīng)過(guò)我國(guó)勞動(dòng)人民長(zhǎng)期馴化和培養(yǎng)而成。它不僅皮膚為黑色,體內(nèi)多種組織如肌肉、內(nèi)臟等均富含黑色素。烏雞黑色素是一種動(dòng)物性黑色素,屬吲哚型真黑色素。家禽中真黑色素的合成目前多認(rèn)為遵循經(jīng)典的Mason-Raper途徑,經(jīng)過(guò)一系列的環(huán)化和氧化形成真黑色素的聚合物。黑素體的形成是兩條路徑-前黑素體的合成與分布及酪氨酸與酪氨酸復(fù)和物的作用相互協(xié)調(diào)的結(jié)果。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)黑色素在體內(nèi)的分布與發(fā)生過(guò)程作了廣泛的研究。White,1953年與Stole,1968年研究表明,烏骨雞黑色素含量在孵化后期才迅速增加,而棕色來(lái)航雞的黑色素細(xì)胞在發(fā)育過(guò)程中死亡或被細(xì)胞吞噬。賈青等1998年研究發(fā)現(xiàn),黑色素首先于5~6d時(shí)在烏雞胚薦部皮膚發(fā)生,然后以該部位為中心,向前后左右擴(kuò)展。黑色素首先發(fā)生于皮膚組織和骨膜肌膜(6日齡左右),然后發(fā)生于肌間結(jié)締組織(8日齡左右),最后在肌纖維中出現(xiàn)(12日齡)。耿拓宇等2000年報(bào)道,就個(gè)體而言,全身皮膚黑度非常接近,且各個(gè)部位黑色素沉積率呈顯著相關(guān),在2周齡時(shí)可肉眼看到氣管、肺、嗉囔、腺胃外皮有黑色素沉積。黑色素含量由多到少依次為皮膚、肌肉、骨骼和內(nèi)臟。烏雞黑色素中含有大量自由基,其人體必須微量元素含量也高于烏雞體內(nèi)任何部位。食用烏骨雞具有增加人體內(nèi)紅細(xì)胞和色素、調(diào)節(jié)生理機(jī)能、提高機(jī)體免疫力、抗衰老等多種功能。烏雞作為藥用雞,其最早記載見于《本草綱目》一書。清代初期汪昂所著的《本草備要》以及現(xiàn)代的《中國(guó)醫(yī)學(xué)辭典》、《辭源》、《中國(guó)藥用動(dòng)物志》等均稱烏雞是珍貴的藥用品種,其骨、肉、內(nèi)臟、血、蛋均具有獨(dú)特的藥用價(jià)值?！侗静菥V目》記載,烏骨雞的入藥效果與烏雞皮肉骨中黑色素的深淺有關(guān),其顏色愈黑者,入藥愈佳。現(xiàn)代醫(yī)學(xué)也認(rèn)為,烏骨雞的食用與藥用價(jià)值主要在于其體內(nèi)的黑色素物質(zhì)研究發(fā)現(xiàn),黑色素有多種生理功能。袁纓1996年研究發(fā)現(xiàn),烏雞黑色素具有抗誘變作用,并推測(cè)烏雞黑色素藥用機(jī)制之一是能夠抑制人體內(nèi)對(duì)細(xì)胞有損傷作用的物質(zhì)活性,保護(hù)細(xì)胞完整性,起到預(yù)防癌變與衰老,提高機(jī)體免疫力作用。徐幸蓮等1999年研究認(rèn)為,烏骨雞黑色素具有延緩果蠅衰老的作用。胡國(guó)斌等1999年研究表明,黑色素能抑制流感病毒,誘導(dǎo)宿主細(xì)胞凋亡。國(guó)外大量實(shí)驗(yàn)也證實(shí),黑色素具有消除自由基、抗氧化功能。可見,烏骨雞的藥用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值關(guān)鍵在于其“烏色”性狀上?！盀跎毙誀钍菫豕请u的主要特征,它是受多基因控制的性狀。據(jù)報(bào)道,烏骨雞膚色受隱性伴性基因id(真皮層黑色素基因)和顯性增色基因Fm控制。Jaap等1958年報(bào)道,許多基因如色素原基因C、氧化酶基因O、黑色素?cái)U(kuò)散基因E、性連鎖橫斑基因B、銀色基因S及顯性白羽基因I等對(duì)黑色素沉著具有不同的作用,且具有累加效應(yīng)。杜曉惠等1996年報(bào)道,從烏骨雞純繁及雜交后代的烏膚變化差異,推