谷氨酸脫氫酶的基本結(jié)構(gòu)與疾病的相關研究進展

趙漢 阮奔放

【摘 要】谷氨酸脫氫酶是一種重要的線粒體酶，具有催化L-谷氨酸脫氫的作用。根據(jù)已有的研究報道，谷氨酸脫氫酶在氨代謝調(diào)控、三羧酸循環(huán)、信號轉(zhuǎn)導以及能量產(chǎn)生等環(huán)節(jié)中起著重要作用。本文就谷氨酸脫氫酶的基本結(jié)構(gòu)進行分析，并就其與一些疾病的相關研究進展進行綜述，以供參考。

【關鍵詞】谷氨酸脫氫酶;基本結(jié)構(gòu);相關疾病

Abstract：Glutamate dehydrogenase is an important mitochondrial enzyme， which catalyzes L-glutamate dehydrogenation. According to the existing research reports， glutamate dehydrogenase plays an important role in ammonia metabolism regulation， tricarboxylic acid cycle， signal transduction and energy production. In this paper， the basic structure of glutamate dehydrogenase was analyzed， and the research progress of glutamate dehydrogenase and some diseases was reviewed for reference.

【中圖分類號】R363【文獻標識碼】B【文章編號】1005-0019（2019）20--01

谷氨酸脫氫酶（GDH）為廣泛存在于動植物與微生物體內(nèi)的一種酶，一般情況下，能催化谷氨酸的氧化分解，同時生成產(chǎn)物α-酮戊二酸與氨。這個反應可逆，需要煙酰胺腺嘌呤（Nicotinamide adenine，NAD）或煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADP+）作為輔酶。GDH在細胞內(nèi)除參與三羧酸循環(huán)的能量代謝外，也控制氧化還原平衡，維持氨含量，并調(diào)控信號轉(zhuǎn)導。

1 GDH的基本結(jié)構(gòu)

天然的GDH以六聚體形式存在于線粒體中，賴氨酸（Lysine）是其催化谷氨酸分解的關鍵位點，該位點在進化過程中保持不變[1-2]。不同的是，哺乳動物（牛、人等）來源的GDH由約500個氨基酸殘基組成;而對細菌等生物而言，GDH由450個氨基酸殘基組成。哺乳動物的GDH在結(jié)構(gòu)上比其他生物多一個“天線”結(jié)構(gòu)。

哺乳動物的GDH由兩個三聚體亞基互相堆疊在一起而存在[3]。每個亞基又由三個結(jié)構(gòu)域組成[4-5]。其中最重要的是NAD結(jié)合域，作用是保護某些核苷酸的結(jié)合。在結(jié)構(gòu)域上方，是一段由約50個氨基酸組成的突出。兩個三聚體的突出共同組成“天線”結(jié)構(gòu)，它的形狀是幾個螺旋和一個環(huán)繞在一起。這段“天線”結(jié)構(gòu)只存在于受大量配體變構(gòu)調(diào)節(jié)的GDH中，所以對變構(gòu)調(diào)節(jié)具有獨特的作用。

在催化過程中，底物通過NAD與下方結(jié)合域中間的催化裂口進入GDH結(jié)構(gòu)中，而輔酶則由NAD結(jié)合域表面的裂口進入。底物和輔酶都進入以后，NAD結(jié)合域旋轉(zhuǎn)并關閉催化裂口。然后，“天線”中的長上升螺旋的底部以逆時針方向向外旋轉(zhuǎn)，以推動相鄰亞基的樞軸螺旋。最后，整個六聚體的像是被擠壓一樣，變得扁平。這種壓縮狀態(tài)由亞基間相互靠近，并擠壓內(nèi)核造成。

2 GDH與疾病之間的關系

2.1GDH與高胰島素/高血氨綜合癥 HHS是一種由GDH基因突變導致GTP抑制調(diào)節(jié)的缺失引起的疾病。當胰島β細胞線粒體內(nèi)的GDH發(fā)生突變后，GTP的結(jié)合位點缺失，使得酶的活性異常增高。過量的酶導致谷氨酸分解的增高，除產(chǎn)生機體無法正常代謝的氨外，還將釋放大量ATP，為胰島素分泌提供足夠的能量，使得后者在血液中的濃度異常增高。HHS是一種最早發(fā)現(xiàn)的將GDH調(diào)節(jié)與胰島素釋放、氨的穩(wěn)態(tài)聯(lián)系在一起的疾病[6]，具備深遠的研究意義。

2.2 GDH與帕金森病 帕金森病（PD）是一種較為常見的中老年人神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病。在65歲以上人群中，PD具有較高的發(fā)病率。。患者發(fā)病后，主要表現(xiàn)為步態(tài)障礙、行動遲緩等。PD的確切病因尚不明。但已有的研究表明，PD的發(fā)病主要與線粒體功能障礙、蛋白質(zhì)錯誤折疊、氧化應激、谷氨酸機能失調(diào)等有關。Plaitakis等[7]發(fā)現(xiàn)，人腦中GLUD2基因發(fā)生的T1492G突變與高加索人PD的發(fā)病年齡之間存在顯著的相關性。此外，在北美與希臘兩個地區(qū)的PD患者的群體統(tǒng)計研究數(shù)據(jù)中，半合子個體中GLUD2的T1492G突變，可引起hGDH2調(diào)節(jié)域中的445位絲氨酸被丙氨酸替換，此類個體的發(fā)病時間比其他基因型發(fā)病時間提前6—13年。但在雜合子女性PD患者中，T1492G突變的發(fā)生，并未對PD的發(fā)病時間造成較為明顯的影響，原因可能與女性體內(nèi)的雌性激素對hGDH2的調(diào)控作用之間存在一定關聯(lián)。

2.3GDH與腫瘤 腫瘤是機體在各種致瘤因子的作用下，局部組織細胞增生形成的一種新生物，根據(jù)其細胞特性及其對機體的危害程度，腫瘤可分為良性腫瘤、惡性腫瘤。針對人類腫瘤的診斷與治療，異常能量代謝是患者的典型特點，且近年來相關研究獲得的證據(jù)表明，谷氨酰胺代謝在腫瘤細胞的生長與轉(zhuǎn)移過程中發(fā)揮著較為重要的作用。在谷氨酰胺代謝過程中，GDH是一種較為關鍵的酶。谷氨酰胺分解產(chǎn)生的ATP，能夠為蛋白質(zhì)、核酸的合成服務，進而支持腫瘤細胞的生長與轉(zhuǎn)移。

在相關的研究中，Csibi等[8]發(fā)現(xiàn)，mTORC1通過激活GDH，促進谷氨酰胺的分解，同時達到抑制SIRT4的目的，為細胞的增值、轉(zhuǎn)化以及腫瘤的發(fā)生提供重要基礎。以膠質(zhì)瘤為例，借助放射性元素示蹤技術(shù)，GLUD2的過度表達，可恢復IDH1R132H突變型細胞的代謝過程，促進谷氨酰胺與糖類的轉(zhuǎn)化，進而特異性促進此類膠質(zhì)瘤的生長。在腫瘤的治療中，相關的研究表明，GDH正成為癌癥治療方面具有較大潛力的作用靶點，如朱敏[9]就谷氨酰胺酶及其具有抗癌活性的抑制劑進行了篩選。此外，用BLI技術(shù)檢測小分子化合物與酶之間的相互作用，是近年來谷氨酰胺酶抑制劑篩選的新興手段。

3 結(jié)語

GDH是一種與細胞內(nèi)物質(zhì)、能量代謝密切相關的酶類，與人體多種疾病的發(fā)病之間具有一定的關聯(lián)。加強GDH基礎特性、GDH與人類疾病之間的關系的相關研究，探明GDH的臨床價值，對相關疾病的診斷、治療以及新型藥物的研發(fā)有著較為重要的作用。

參考文獻

Smith TJ， Schmidt T， et al. The structure of apo human glutamate dehydrogenase details subunit communication and allostery[J]. J Mol Biol， 2002， 318： 765-77

Aubert S， Bligny R， et al. Contribution of glutamate dehydrogenase to mitochondrial glutamate metabolism studied by 13C and 31P nuclear magnetic resonance[J]. J Exp Bot， 2001， 52： 37-45

Banerjee S， Schmidt T， et al. Structural studies on ADP activation of mammalian glutamate dehydrogenase and the evolution of regulation[J]. Biochemistry，2003，42， 3446–3456

Smith T， Peterson P.E.， e. Structures of bovine glutamate dehydrogenase complexes elucidate the mechanism of purine regulation. J. Mol. Biol[J]. 2001，307， 707–720.

Smith， T， Schmidt， T.， et al. The structure of apo human glutamate dehydrogenase details subunit communication and allostery[J]. J. Mol. Biol. 2002， 318， 765–777.

Stanley， C.A.; Lieu， Y.K， et al. Hyperinsulinism and hyperammonemia in infants with regulatory mutations of the glutamate dehydrogenase gene[J]. N. Engl. J. Med.， 1998， 338（19）： 1352-1357.

Plaitakis A， Latsoudis H， et al. Gain-offunction variant in GLUD2 glutamate dehydrogenase modifies Parkinson's disease onset[J]. Eur J Hum Genet，2010， 18： 336-41

Csibi A， Fendt SM， et al. The mTORC1 pathway stimulates glutamine metabolism and cell proliferation by repressing SIRT4[J]. Cell， 2013， 153： 840-54

朱敏.谷氨酰胺酶及其具有抗癌活性的抑制劑的研究[D]. 浙江工業(yè)大學， 2017.