谷氨酸脱氢酶的基本结构与疾病的相关研究进展

赵汉 阮奔放

【摘 要】谷氨酸脱氢酶是一种重要的线粒体酶，具有催化L-谷氨酸脱氢的作用。根据已有的研究报道，谷氨酸脱氢酶在氨代谢调控、三羧酸循环、信号转导以及能量产生等环节中起着重要作用。本文就谷氨酸脱氢酶的基本结构进行分析，并就其与一些疾病的相关研究进展进行综述，以供参考。

【关键词】谷氨酸脱氢酶;基本结构;相关疾病

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.

【中圖分类号】R363【文献标识码】B【文章编号】1005-0019（2019）20--01

谷氨酸脱氢酶（GDH）为广泛存在于动植物与微生物体内的一种酶，一般情况下，能催化谷氨酸的氧化分解，同时生成产物α-酮戊二酸与氨。这个反应可逆，需要烟酰胺腺嘌呤（Nicotinamide adenine，NAD）或烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADP+）作为辅酶。GDH在细胞内除参与三羧酸循环的能量代谢外，也控制氧化还原平衡，维持氨含量，并调控信号转导。

1 GDH的基本结构

天然的GDH以六聚体形式存在于线粒体中，赖氨酸（Lysine）是其催化谷氨酸分解的关键位点，该位点在进化过程中保持不变[1-2]。不同的是，哺乳动物（牛、人等）来源的GDH由约500个氨基酸残基组成;而对细菌等生物而言，GDH由450个氨基酸残基组成。哺乳动物的GDH在结构上比其他生物多一个“天线”结构。

哺乳动物的GDH由两个三聚体亚基互相堆叠在一起而存在[3]。每个亚基又由三个结构域组成[4-5]。其中最重要的是NAD结合域，作用是保护某些核苷酸的结合。在结构域上方，是一段由约50个氨基酸组成的突出。两个三聚体的突出共同组成“天线”结构，它的形状是几个螺旋和一个环绕在一起。这段“天线”结构只存在于受大量配体变构调节的GDH中，所以对变构调节具有独特的作用。

在催化过程中，底物通过NAD与下方结合域中间的催化裂口进入GDH结构中，而辅酶则由NAD结合域表面的裂口进入。底物和辅酶都进入以后，NAD结合域旋转并关闭催化裂口。然后，“天线”中的长上升螺旋的底部以逆时针方向向外旋转，以推动相邻亚基的枢轴螺旋。最后，整个六聚体的像是被挤压一样，变得扁平。这种压缩状态由亚基间相互靠近，并挤压内核造成。

2 GDH与疾病之间的关系

2.1GDH与高胰岛素/高血氨综合症 HHS是一种由GDH基因突变导致GTP抑制调节的缺失引起的疾病。当胰岛β细胞线粒体内的GDH发生突变后，GTP的结合位点缺失，使得酶的活性异常增高。过量的酶导致谷氨酸分解的增高，除产生机体无法正常代谢的氨外，还将释放大量ATP，为胰岛素分泌提供足够的能量，使得后者在血液中的浓度异常增高。HHS是一种最早发现的将GDH调节与胰岛素释放、氨的稳态联系在一起的疾病[6]，具备深远的研究意义。

2.2 GDH与帕金森病 帕金森病（PD）是一种较为常见的中老年人神经系统变性疾病。在65岁以上人群中，PD具有较高的发病率。。患者发病后，主要表现为步态障碍、行动迟缓等。PD的确切病因尚不明。但已有的研究表明，PD的发病主要与线粒体功能障碍、蛋白质错误折叠、氧化应激、谷氨酸机能失调等有关。Plaitakis等[7]发现，人脑中GLUD2基因发生的T1492G突变与高加索人PD的发病年龄之间存在显著的相关性。此外，在北美与希腊两个地区的PD患者的群体统计研究数据中，半合子个体中GLUD2的T1492G突变，可引起hGDH2调节域中的445位丝氨酸被丙氨酸替换，此类个体的发病时间比其他基因型发病时间提前6—13年。但在杂合子女性PD患者中，T1492G突变的发生，并未对PD的发病时间造成较为明显的影响，原因可能与女性体内的雌性激素对hGDH2的调控作用之间存在一定关联。

2.3GDH与肿瘤 肿瘤是机体在各种致瘤因子的作用下，局部组织细胞增生形成的一种新生物，根据其细胞特性及其对机体的危害程度，肿瘤可分为良性肿瘤、恶性肿瘤。针对人类肿瘤的诊断与治疗，异常能量代谢是患者的典型特点，且近年来相关研究获得的证据表明，谷氨酰胺代谢在肿瘤细胞的生长与转移过程中发挥着较为重要的作用。在谷氨酰胺代谢过程中，GDH是一种较为关键的酶。谷氨酰胺分解产生的ATP，能够为蛋白质、核酸的合成服务，进而支持肿瘤细胞的生长与转移。

在相关的研究中，Csibi等[8]发现，mTORC1通过激活GDH，促进谷氨酰胺的分解，同时达到抑制SIRT4的目的，为细胞的增值、转化以及肿瘤的发生提供重要基础。以胶质瘤为例，借助放射性元素示踪技术，GLUD2的过度表达，可恢复IDH1R132H突变型细胞的代谢过程，促进谷氨酰胺与糖类的转化，进而特异性促进此类胶质瘤的生长。在肿瘤的治疗中，相关的研究表明，GDH正成为癌症治疗方面具有较大潜力的作用靶点，如朱敏[9]就谷氨酰胺酶及其具有抗癌活性的抑制剂进行了筛选。此外，用BLI技术检测小分子化合物与酶之间的相互作用，是近年来谷氨酰胺酶抑制剂筛选的新兴手段。

3 结语

GDH是一种与细胞内物质、能量代谢密切相关的酶类，与人体多种疾病的发病之间具有一定的关联。加强GDH基础特性、GDH与人类疾病之间的关系的相关研究，探明GDH的临床价值，对相关疾病的诊断、治疗以及新型药物的研发有着较为重要的作用。

参考文献

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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]. 浙江工业大学， 2017.