GAPDH與神經(jīng)變性疾病

龍美辛綜述，張黎明審校

GAPDH又名甘油醛-3-磷酸脫氫酶，是糖酵解途徑中的一種關(guān)鍵酶，能夠催化甘油醛-3-磷酸轉(zhuǎn)化為1，3-二磷酸甘油酸。但GAPDH除了糖酵解功能外，作為一種多功能酶，還具有獨(dú)特的非糖酵解功能，例如基因表達(dá)調(diào)控，DNA修復(fù)和復(fù)制，神經(jīng)變性，致病機(jī)制，細(xì)菌毒力，蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用，RNA輸出，以及調(diào)控凋亡和自噬[1]。GAPDH是細(xì)胞中的一種月光蛋白，并且濃度很高；而且GAPDH的結(jié)構(gòu)中含有易感半胱氨酸殘基，因此這種酶是活性氧(ROS)和活性氮(RON)的首要靶標(biāo)之一，易受到多種類型的氧化修飾，導(dǎo)致GAPDH聚集及核移位。并且有研究表明GAPDH在神經(jīng)變性疾病中能夠直接與特定的淀粉樣蛋白結(jié)合。新的證據(jù)表明，低分子化合物可能是有效的抑制劑，可能阻止GAPDH易位至細(xì)胞核，抑制或減緩其聚集和寡聚化。雖然有越來(lái)越多的證據(jù)表明GAPDH與神經(jīng)變性疾病密切相關(guān)，但是現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的能夠抑制它的聚集及核移位的化學(xué)物質(zhì)少之又少。在本綜述中，我們將描述GAPDH參與神經(jīng)變性疾病的病理過(guò)程及現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的能夠抑制它的聚集及核移位的小分子化合物。

1 GAPDH的結(jié)構(gòu)

甘油醛-3-磷酸脫氫酶(GAPDH)，又稱氧化還原酶，是脫氫酶家族的一員。他在大多數(shù)組織中均有穩(wěn)定的表達(dá)，并參與細(xì)胞生存的基本過(guò)程。它在真核生物和原核生物均有高濃度的表達(dá)，約占細(xì)胞含量的10%～20%。人GAPDH只有一個(gè)位于12號(hào)染色體上的功能基因(基因ID：2597)，但有150個(gè)或更多類似的假基因[2]。但不同組織中的GAPDHmRNA是相同的。GAPDH的存在主要有三種形式，同源四聚體(～144kDa)，單體和二聚體。細(xì)胞質(zhì)中的GAPDH主要為同源四聚體，由O、P、Q、R四個(gè)相同的亞基構(gòu)成。四聚體可以解離，產(chǎn)生易于變性，聚集或與其他生物分子相互作用的二聚體和單體[3]。GAPDH主要包含兩個(gè)結(jié)構(gòu)域：構(gòu)成主鏈的NAD結(jié)構(gòu)域和形成C末端的催化甘油醛(G3P)結(jié)構(gòu)域。NAD結(jié)構(gòu)域負(fù)責(zé)結(jié)合二核苷酸。催化結(jié)構(gòu)域負(fù)責(zé)反映序列的特定催化活性和底物特異性。

2 GAPDH介導(dǎo)的神經(jīng)變性疾病的細(xì)胞死亡

甘油醛-3-磷酸脫氫酶是細(xì)胞中最易受到氧化修飾的蛋白質(zhì)之一。大量研究中證明，氧化修飾的GAPDH在神經(jīng)變性疾病中起重要作用，主要途徑有三種：聚集，核移位及與特定蛋白相結(jié)合。

2.1 GAPDH聚集 位于GAPDH酶的活性位點(diǎn)中最敏感的靶標(biāo)是Cys152，它可以直接參與催化反應(yīng)，它對(duì)NO誘導(dǎo)的GAPDH的聚集至關(guān)重要。此外，已經(jīng)證明Cys156和Cys247這兩個(gè)被埋在蛋白質(zhì)分子內(nèi)部，只有在多肽鏈解折疊后才能被修飾的半胱氨酸殘基也在蛋白質(zhì)聚集中起重要作用。有研究表明氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的GAPDH寡聚和聚集的模型，通過(guò)活性位點(diǎn)的半胱氨酸的異常二硫鍵，很容易導(dǎo)致不溶性和淀粉樣聚集體的形成。GAPDH的四聚體形式表現(xiàn)出相當(dāng)高的穩(wěn)定性，但這種高穩(wěn)定性是全酶的特征，即對(duì)于對(duì)于酶與輔因子的復(fù)合物，NAD+或NADH，其牢固地結(jié)合酶[4]。然而，通過(guò)去除輔因子，穩(wěn)定的GAPDH四聚體很容易轉(zhuǎn)化為不穩(wěn)定形式，沒(méi)有輔因子NADH和NAD+的GAPDH易于變性和隨后的聚集[3]。GAPDH聚集體的形成導(dǎo)致多種病理后果，特別是GAPDH聚集物直接引起線粒體損傷，通過(guò)線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(mPTP)的開(kāi)放，線粒體膜電位(Δψ)和線粒體腫脹的減少，隨后細(xì)胞色素c的細(xì)胞溶質(zhì)釋放和細(xì)胞凋亡的核轉(zhuǎn)位誘導(dǎo)因子(AIF)并導(dǎo)致細(xì)胞凋亡/壞死細(xì)胞死亡。(4)除此途徑外，GAPDH聚集體的形成促進(jìn)GAPDH的進(jìn)一步錯(cuò)誤折疊，導(dǎo)致不溶性構(gòu)象并最終轉(zhuǎn)化為高分子量聚集體，其本身通常是細(xì)胞毒性的或間接引發(fā)細(xì)胞凋亡[5]。

2.2 GAPDH核移位 Cys152的修飾(S-亞硝基化，S-硫醇化)增強(qiáng)了其與具有核定位信號(hào)的E3-泛素連接酶Siah1的結(jié)合，形成的復(fù)合物(GAPDH-Siah1)易位至細(xì)胞核。在葡萄糖饑餓期間，細(xì)胞質(zhì)GAPDH被活化的AMPK磷酸化，促使GAPDH重新分布到細(xì)胞核中[6]。在細(xì)胞核內(nèi)，GAPDH直接與SIRT1相互作用，取代SIRT1的阻遏物并增加SIRT1脫乙酰酶活性。此外，在細(xì)胞核中，GAPDH與乙酰轉(zhuǎn)移酶p300 / CBP結(jié)合并刺激各種凋亡靶標(biāo)的乙酰化，如腫瘤抑制因子和轉(zhuǎn)錄因子p53，PUMA，Bax，p21[1]。此外，在細(xì)胞核中，GAPDH可能與Ap4A相互作用，Ap4A參與DNA復(fù)制和DNA修復(fù)。Ap4A / Ap3A比值的紊亂(Ap4A水平升高和Ap3A降低)與程序性細(xì)胞死亡有關(guān)[7]。此外，GAPDH的過(guò)度積累促進(jìn)GAPDH UDG活性的下降，這導(dǎo)致DNA損傷和隨后的細(xì)胞凋亡水平增加。GAPDH水平升高的另一個(gè)有害作用包括核纖層蛋白B1，核膜蛋白和半胱天冬酶-3底物的降解。通過(guò)小腦顆粒和皮質(zhì)神經(jīng)細(xì)胞培養(yǎng)物的研究證實(shí)了GAPDH參與由細(xì)胞凋亡刺激誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡和(或)通過(guò)核移位引起的氧化應(yīng)激。用胞嘧啶阿拉伯糖苷(AraC)處理誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡并且在細(xì)胞核中顯著增加GAPDH水平，而用反義GAPDH轉(zhuǎn)染導(dǎo)致細(xì)胞死亡顯著減少[8]。2.3 GAPDH與特定蛋白相結(jié)合 GAPDH在神經(jīng)變性疾病中的作用還與特定淀粉樣蛋白直接結(jié)合，如阿爾茲海默病中的tau蛋白、β-淀粉樣蛋白、β-淀粉樣前體蛋白[9，10]，亨廷頓病中的亨廷頓蛋白以及帕金森病中的α-突觸核蛋白[11，12]。

3 小分子化合物與GAPDH

由于氧化修飾的GAPDH在神經(jīng)變性疾病中的作用，有一些小分子化合物，可能與GAPDH相互作用并遏制GAPDH的聚集和核移位。在這些分子中有司來(lái)吉蘭及其他炔丙胺類藥物，其中最廣為人知的是CGP3466。司來(lái)吉蘭是一種用于治療帕金森病的能夠提高多巴胺水平的選擇性單胺氧化酶抑制劑。據(jù)報(bào)道，它在帕金森病的細(xì)胞和嚙齒動(dòng)物模型中發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用，并且可能在疾病早期減緩患者的疾病進(jìn)展。在低納米摩爾濃度下，該藥物與SNO-GAPDH-Siah1相互作用，從而阻止GAPDH的核移位，從而發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用[13]。雷沙吉蘭是一種選擇性MAO B抑制劑，與司來(lái)吉蘭結(jié)構(gòu)相關(guān)，但不代謝成苯丙胺衍生物，可以抑制GAPDH的核移位[14]。Choi等[15]研究表明，證明阿司匹林(乙酰基SA)的主要代謝產(chǎn)物植物激素水楊酸(SA)，它也抑制GAPDH的核移位和細(xì)胞死亡。并且還分析兩種合成的SA衍生物(ac3AESA和5-SA)和兩類來(lái)自中草藥甘草，甘草甜素，發(fā)現(xiàn)它們比SA更緊密地結(jié)合GAPDH，抑制GAPDH向細(xì)胞核移位和細(xì)胞死亡。白皮杉醇(一種最常見(jiàn)的多酚)，能與Cys149共價(jià)結(jié)合，并直接參與催化反應(yīng)。它能打破病理性二硫鍵，抑制GAPDH的聚集及其向核的易位，是一種特殊的抑制劑[16]。GAPDH的另一種有效結(jié)合劑是羥基壬烯酸，它與Cys 149直接相互作用，并且在高濃度下能夠完全滅活酶。Lazarev等[17]研究表明4，4-二甲基-6a-羥膽甾(RX 409)和N-乙酰胍(RX 426)在體內(nèi)及體外實(shí)驗(yàn)中均能夠與GAPDH相互作用并且抑制GAPDH聚集。Muronetz小組[18]研究了多羥基-1，4-萘醌對(duì)GAPDH酶活性影響，結(jié)果表明棘胺B和棘色素E具有明顯的抗聚集作用。Chernorizov等[19]研究表示另外一種低分子量化合物芳香硫醇(NAC和GSH)，能夠與GAPDH的NAD結(jié)構(gòu)域相互作用并修飾其活性中心的巰基，導(dǎo)致GAPDH的部分抑制。Mahdy等[20]在用3-硝基丙酸(3-NP)誘導(dǎo)的類似于亨廷頓病(HD)模型中中觀察到大鼠紋狀體的GAPDH mRNA表達(dá)水平明顯高于對(duì)照組。然而，在用銀杏葉提取物(EGB 761)治療前和治療過(guò)程中均對(duì)動(dòng)物GAPDH mRNA的表達(dá)有下調(diào)作用。有研究提出，西維來(lái)司鈉(SIV)能夠通過(guò)抑制中性粒細(xì)胞釋放NO，而NO可使GAPDH/Siah1途徑激活從而引起GAPDH的核移位，使細(xì)胞凋亡，故J Huo在脊髓損傷模型中發(fā)現(xiàn)，脊髓損傷后GAPDH和Siah1均發(fā)生核轉(zhuǎn)位，而西維來(lái)司鈉能夠有效地抑制GAPDH和Siah1核轉(zhuǎn)位[21]。

4 展 望

GAPDH與神經(jīng)變性疾病有著密切的關(guān)系，它是神經(jīng)變性疾病治療上的一個(gè)重要靶點(diǎn)。故了解它的作用及它與其他分子之間的相互作用顯得尤為重要。因此，GAPDH將成為減緩或終止變性疾病發(fā)展的一個(gè)有希望的靶點(diǎn)。