GAPDH与神经变性疾病

2019-01-04龙美辛综述张黎明审校

中风与神经疾病杂志 2019年11期

龙美辛综述，张黎明审校

GAPDH又名甘油醛-3-磷酸脱氢酶，是糖酵解途径中的一种关键酶，能够催化甘油醛-3-磷酸转化为1，3-二磷酸甘油酸。但GAPDH除了糖酵解功能外，作为一种多功能酶，还具有独特的非糖酵解功能，例如基因表达调控，DNA修复和复制，神经变性，致病机制，细菌毒力，蛋白质-蛋白质相互作用，RNA输出，以及调控凋亡和自噬[1]。GAPDH是细胞中的一种月光蛋白，并且浓度很高；而且GAPDH的结构中含有易感半胱氨酸残基，因此这种酶是活性氧(ROS)和活性氮(RON)的首要靶标之一，易受到多种类型的氧化修饰，导致GAPDH聚集及核移位。并且有研究表明GAPDH在神经变性疾病中能够直接与特定的淀粉样蛋白结合。新的证据表明，低分子化合物可能是有效的抑制剂，可能阻止GAPDH易位至细胞核，抑制或减缓其聚集和寡聚化。虽然有越来越多的证据表明GAPDH与神经变性疾病密切相关，但是现已发现的能够抑制它的聚集及核移位的化学物质少之又少。在本综述中，我们将描述GAPDH参与神经变性疾病的病理过程及现已发现的能够抑制它的聚集及核移位的小分子化合物。

1 GAPDH的结构

甘油醛-3-磷酸脱氢酶(GAPDH)，又称氧化还原酶，是脱氢酶家族的一员。他在大多数组织中均有稳定的表达，并参与细胞生存的基本过程。它在真核生物和原核生物均有高浓度的表达，约占细胞含量的10%～20%。人GAPDH只有一个位于12号染色体上的功能基因(基因ID：2597)，但有150个或更多类似的假基因[2]。但不同组织中的GAPDHmRNA是相同的。GAPDH的存在主要有三种形式，同源四聚体(～144kDa)，单体和二聚体。细胞质中的GAPDH主要为同源四聚体，由O、P、Q、R四个相同的亚基构成。四聚体可以解离，产生易于变性，聚集或与其他生物分子相互作用的二聚体和单体[3]。GAPDH主要包含两个结构域：构成主链的NAD结构域和形成C末端的催化甘油醛(G3P)结构域。NAD结构域负责结合二核苷酸。催化结构域负责反映序列的特定催化活性和底物特异性。

2 GAPDH介导的神经变性疾病的细胞死亡

甘油醛-3-磷酸脱氢酶是细胞中最易受到氧化修饰的蛋白质之一。大量研究中证明，氧化修饰的GAPDH在神经变性疾病中起重要作用，主要途径有三种：聚集，核移位及与特定蛋白相结合。

2.1 GAPDH聚集位于GAPDH酶的活性位点中最敏感的靶标是Cys152，它可以直接参与催化反应，它对NO诱导的GAPDH的聚集至关重要。此外，已经证明Cys156和Cys247这两个被埋在蛋白质分子内部，只有在多肽链解折叠后才能被修饰的半胱氨酸残基也在蛋白质聚集中起重要作用。有研究表明氧化应激诱导的GAPDH寡聚和聚集的模型，通过活性位点的半胱氨酸的异常二硫键，很容易导致不溶性和淀粉样聚集体的形成。GAPDH的四聚体形式表现出相当高的稳定性，但这种高稳定性是全酶的特征，即对于对于酶与辅因子的复合物，NAD+或NADH，其牢固地结合酶[4]。然而，通过去除辅因子，稳定的GAPDH四聚体很容易转化为不稳定形式，没有辅因子NADH和NAD+的GAPDH易于变性和随后的聚集[3]。GAPDH聚集体的形成导致多种病理后果，特别是GAPDH聚集物直接引起线粒体损伤，通过线粒体通透性转换孔(mPTP)的开放，线粒体膜电位(Δψ)和线粒体肿胀的减少，随后细胞色素c的细胞溶质释放和细胞凋亡的核转位诱导因子(AIF)并导致细胞凋亡/坏死细胞死亡。(4)除此途径外，GAPDH聚集体的形成促进GAPDH的进一步错误折叠，导致不溶性构象并最终转化为高分子量聚集体，其本身通常是细胞毒性的或间接引发细胞凋亡[5]。

2.2 GAPDH核移位 Cys152的修饰(S-亚硝基化，S-硫醇化)增强了其与具有核定位信号的E3-泛素连接酶Siah1的结合，形成的复合物(GAPDH-Siah1)易位至细胞核。在葡萄糖饥饿期间，细胞质GAPDH被活化的AMPK磷酸化，促使GAPDH重新分布到细胞核中[6]。在细胞核内，GAPDH直接与SIRT1相互作用，取代SIRT1的阻遏物并增加SIRT1脱乙酰酶活性。此外，在细胞核中，GAPDH与乙酰转移酶p300 / CBP结合并刺激各种凋亡靶标的乙酰化，如肿瘤抑制因子和转录因子p53，PUMA，Bax，p21[1]。此外，在细胞核中，GAPDH可能与Ap4A相互作用，Ap4A参与DNA复制和DNA修复。Ap4A / Ap3A比值的紊乱(Ap4A水平升高和Ap3A降低)与程序性细胞死亡有关[7]。此外，GAPDH的过度积累促进GAPDH UDG活性的下降，这导致DNA损伤和随后的细胞凋亡水平增加。GAPDH水平升高的另一个有害作用包括核纤层蛋白B1，核膜蛋白和半胱天冬酶-3底物的降解。通过小脑颗粒和皮质神经细胞培养物的研究证实了GAPDH参与由细胞凋亡刺激诱导的细胞死亡和(或)通过核移位引起的氧化应激。用胞嘧啶阿拉伯糖苷(AraC)处理诱导细胞凋亡并且在细胞核中显着增加GAPDH水平，而用反义GAPDH转染导致细胞死亡显着减少[8]。2.3 GAPDH与特定蛋白相结合 GAPDH在神经变性疾病中的作用还与特定淀粉样蛋白直接结合，如阿尔兹海默病中的tau蛋白、β-淀粉样蛋白、β-淀粉样前体蛋白[9，10]，亨廷顿病中的亨廷顿蛋白以及帕金森病中的α-突触核蛋白[11，12]。

3 小分子化合物与GAPDH

由于氧化修饰的GAPDH在神经变性疾病中的作用，有一些小分子化合物，可能与GAPDH相互作用并遏制GAPDH的聚集和核移位。在这些分子中有司来吉兰及其他炔丙胺类药物，其中最广为人知的是CGP3466。司来吉兰是一种用于治疗帕金森病的能够提高多巴胺水平的选择性单胺氧化酶抑制剂。据报道，它在帕金森病的细胞和啮齿动物模型中发挥神经保护作用，并且可能在疾病早期减缓患者的疾病进展。在低纳米摩尔浓度下，该药物与SNO-GAPDH-Siah1相互作用，从而阻止GAPDH的核移位，从而发挥神经保护作用[13]。雷沙吉兰是一种选择性MAO B抑制剂，与司来吉兰结构相关，但不代谢成苯丙胺衍生物，可以抑制GAPDH的核移位[14]。Choi等[15]研究表明，证明阿司匹林(乙酰基SA)的主要代谢产物植物激素水杨酸(SA)，它也抑制GAPDH的核移位和细胞死亡。并且还分析两种合成的SA衍生物(ac3AESA和5-SA)和两类来自中草药甘草，甘草甜素，发现它们比SA更紧密地结合GAPDH，抑制GAPDH向细胞核移位和细胞死亡。白皮杉醇(一种最常见的多酚)，能与Cys149共价结合，并直接参与催化反应。它能打破病理性二硫键，抑制GAPDH的聚集及其向核的易位，是一种特殊的抑制剂[16]。GAPDH的另一种有效结合剂是羟基壬烯酸，它与Cys 149直接相互作用，并且在高浓度下能够完全灭活酶。Lazarev等[17]研究表明4，4-二甲基-6a-羟胆甾(RX 409)和N-乙酰胍(RX 426)在体内及体外实验中均能够与GAPDH相互作用并且抑制GAPDH聚集。Muronetz小组[18]研究了多羟基-1，4-萘醌对GAPDH酶活性影响，结果表明棘胺B和棘色素E具有明显的抗聚集作用。Chernorizov等[19]研究表示另外一种低分子量化合物芳香硫醇(NAC和GSH)，能够与GAPDH的NAD结构域相互作用并修饰其活性中心的巯基，导致GAPDH的部分抑制。Mahdy等[20]在用3-硝基丙酸(3-NP)诱导的类似于亨廷顿病(HD)模型中中观察到大鼠纹状体的GAPDH mRNA表达水平明显高于对照组。然而，在用银杏叶提取物(EGB 761)治疗前和治疗过程中均对动物GAPDH mRNA的表达有下调作用。有研究提出，西维来司钠(SIV)能够通过抑制中性粒细胞释放NO，而NO可使GAPDH/Siah1途径激活从而引起GAPDH的核移位，使细胞凋亡，故J Huo在脊髓损伤模型中发现，脊髓损伤后GAPDH和Siah1均发生核转位，而西维来司钠能够有效地抑制GAPDH和Siah1核转位[21]。