3?磷酸甘油醛脱氢酶的多功能性及其在糖尿病的作用

【关键词】  甘油醛?3?磷酸脱氢酶类 蛋白质类 糖尿病

    3?磷酸甘油醛脱氢酶（GAPDH）是糖酵解过程中的一个关键酶。GADPH在同种细胞或组织中表达一般是恒定的，所以把它作为分析其他蛋白质结构和功能的标准或其他基因表达的内参照，很少引起人们的关注。越来越多的研究发现，GAPDH不仅参与能量代谢，还有其他生理功能，特别与糖尿病关系密切。笔者主要围绕GAPDH的基础研究及其与糖尿病的关系作一综述。
    1GAPDH的结构与功能
    GAPDH几乎在所有组织都高水平表达，但在各组织中或不同亚细胞定位的蛋白高级结构略有差别[1?2]。GAPDH一般是由4个相同亚基组成的四聚体，每个亚基均含有催化结构域和辅酶结合域。GAPDH与辅酶烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（ NAD+）组成全酶才具有催化活性，活性中心半胱氨酸（Cys149）中的巯基对氧化还原剂极为敏感，可被过氧化物（H2O2）、超氧自由基等氧化失活；一些内源性小分子如α?微管素亦可抑制其活性，而抗氧化剂、蛋白质二硫键还原酶均可使其恢复活性[3?4]。
    GAPDH是经典的糖酵解酶，但还具有以下生理功能[5?11]：（1）膜融合：抑制GAPDH活性后能明显抑制有丝分裂后期的核膜组装，而再加入有活性的GAPDH后，核膜组装修复。（2）囊泡运输：参与囊泡转运，且与其糖酵解功能无关。（3）蛋白磷酸转移酶的分子伴侣：为转移抑制基因nm23?H1的特异分子伴侣。（4）DNA修复：GAPDH的37?KDa亚基与胎盘提取的尿嘧啶DNA糖基化酶（UDG）具有同样的DNA修复活性。（5）其他功能：具有转录调节活性，调节RNA的核输出；介导微管的相互作用；转铁蛋白的活性等。GAPDH同时也参与机体的某些病理生理过程[12?14]：（1）介导神经元细胞凋亡：在去除神经生长因子和血清环境下孵育神经元分化细胞PC12，发现核内GAPDH蓄积，随后细胞凋亡；而阻止GAPDH在核内的蓄积后，PC12存活时间延长，染色质凝聚减少。研究发现，GAPDH分子间二硫键的生成及随后的蛋白质寡聚化是阿尔海默病人（AD）及AD转基因小鼠重要的病理生理基础。（2）抗肿瘤的靶基因：已证实二磷酸盐（BPs）具有抗肿瘤作用。BPs能抑制癌细胞株（PC?3，DU?145，MCF?7，T?47D）的GAPDH基因表达，推测GAPDH可能为BPs抗肿瘤机制的靶基因。
    2GAPDH与糖尿病的关系
    2.1对胰岛素通路的调节作用2007年初，Min等首次报道GAPDH能够调节胰岛素通路。研究人员用秀丽隐杆线虫（C.elegans）作为胰岛素抵抗模型，利用RNA干涉（RNAi）等技术，证实GAPDH能够激活磷酸酶的活性，从而对抗磷酸酰肌醇?3，4，5?三羟甲基氨基甲烷磷酸盐和磷酸酰肌醇?4，5?二羟甲基氨基甲烷磷酸盐，实现对胰岛素径路的调节。研究还发现一种小分子化合物——GAPDH segregator (GAPDS)可以抑制突变的线虫患上糖尿病，而这种小分子的目标蛋白就是GAPDH[15]。这一发现为糖尿病提供了一个新的方向。
    2.2与糖尿病并发症关系
    2.2.1与血管内皮损伤关系血管内皮组织的损伤是糖尿病大小血管并发症的重要病理基础。Brownlee研究发现，抑制线粒体活性氧簇(RoS)的产生可以阻断多元醇旁路、晚期糖基化终末产物（ACEs）生成的增加、蛋白激酶C(PKC)的激活、己糖胺通路的激活，提示糖尿病血管并发症的发生可能存在一共同机制[16]。Du等人证实在非高糖（5 mmol/L）条件下，用GAPDH反义寡核苷酸（ODNs）转染牛大动脉内皮细胞，特异抑制GAPDH的活性，可使细胞内的PKC,UDP?N?乙酰氨基葡萄糖胺，AGEs均明显增加，从而激活相应的蛋白激酶C(PKC)途径、己糖胺通路及蛋白质非酶糖化途径。这与牛大动脉内皮细胞处于在高糖（30 mmol/L）环境下激活上述三条通路的程度相似。而用乱序的ODNs（对GAPDH无抑制作用），则与单独在低糖（5 mmol/L）环境下相似，不会增加PKC,AGEs等的活性[17]。除了激活上述的三条途径使血管内皮细胞损伤外，抑制GAPDH活性还可以通过激活NF?κB使促炎症反应基因表达增加介导血管内皮细胞凋亡，以致内皮组织损伤。
    2.2.2与视网膜病变关系糖尿病视网膜病变（DR）属于微血管病变。目前已知，糖尿病早期毛细血管由局部扩张转为狭窄,视网膜因缺血，缺氧的加重导致视细胞超微结构的病理改变，并随病程的进展而加重[18]。但对于发生DR的直接分子机制尚未完全明确。目前认为，DR发生是在遗传的基础上，高血糖导致视网膜多元醇通路活性增强、蛋白质非酶糖基化、自由基氧化作用、局部RAS系统异常等诸多因素共同作用的结果。
    越来越多的研究表明，GAPDH核转位与细胞的凋亡密切相关，细胞核内正常水平的GAPDH不引起凋亡；当其异常核转位，导致核内蓄积时才诱导细胞凋亡。Hara等利用巨噬细胞细胞株RAW264.7研究发现，GAPDH被甲基苯基四氢吡啶（MPTP）,一氧化氮等亚硝基化后，由E3?泛素?连接酶引导入核，介导选择性核凋亡。当加入B型单胺氧化酶抑制物R?（?）?deprenyl或deprenyl类似物TCH346均能抑制GAPDH被亚硝基化，抑制其核转位，减少细胞凋亡。而高糖可诱导GAPDH在细胞核聚集，导致细胞的程序性死亡[19]。Kusner等人证实在长期高糖（25 mmol/L）条件下大鼠和人的视网膜Müller细胞的胞核GAPDH明显聚集（比对照组高47%），同时细胞凋亡的标志——caspase?3明显增加（为对照组的6倍）。应用B型单胺氧化酶抑制物R?（?）?deprenyl，抑制GAPDH在核内聚集后，细胞凋亡明显减少[20]。
    2.2.3作为慢性并发症共同机制的最后一环糖尿病慢性并发症已经成为糖尿病致残、致死的主要原因，普遍认为其发病机制涉及多元醇通路活性增高ACEs形成增多、PKC激活、己糖胺通路活性增强。近年来的研究显示，高糖诱导的线粒体产生反应性氧化产物（ROS）生成增加可能是糖尿病慢性并发症的共同基础。ROS过量表达可使GAPDH被糖基化后活性抑制。当GAPDH活性降低时，糖酵解的上游代谢物磷酸丙糖[磷酸二羟丙酮(DHAP)，3?磷酸甘油醛]堆积，糖酵解转向糖代谢支路。GAPDH活性抑制后可导致：（1）DHAP的增加以及3?磷酸甘油醛浓度的增高，可以增加丙酮醛（甲基乙二醛）的形成，使ACEs产生增加。（2）6?磷酸葡萄糖累积，激活多元醇通路。而旁路激活后产生大量的辅酶NDAH，使GAPDH活性降低，从而造成恶性循环。（3）6?磷酸果糖累积，生成的UDP?N?乙酰氨基葡萄糖胺增多，使己糖胺通路活性增强[21]。（4）DHAP向第二信使二酯酰甘油(DAG)转化增加，从而激活PKC。故目前对于糖尿病的慢性并发症的共同机制倾向于超氧化物过量表达使GAPDH活性抑制，进而激活传统观点认为的四大通路。
    2.3妊娠糖尿病所致胚胎损害的关系近来研究表明，高血糖使ROS系统过度活化致GAPDH失活后，使糖酵解中间产物堆积，从而激活多元醇途径和己糖胺通路是妊娠糖尿病致胚胎损害的机制之一。
    Wentzel等通过对糖尿病孕鼠体内的胚胎研究发现，胚胎的GAPDH活性比正常组明显下降（40%～60%）且于母鼠受孕的第10～
    11 d胚胎畸形发生率明显上升。并通过体外高糖（30 mmol/L）环境下孵育胚胎进一步证实高糖同样使GAPDH活性下降，胚胎畸形率增高，而在中糖环境（10 mmol/L）中加入GAPDH抑制剂碘醋酸盐（IA）抑制其活性，同样使胚胎发生先天性畸形；但加入抗氧化剂N?乙酰氨基半乳糖（NAC）可对抗高糖导致的GAPDH活性的抑制，并使胚胎发育正常化。从而证实GAPDH活性下降与妊娠糖尿病所致胚胎畸形及发育障碍关系密切[22]。
    2.4与糖尿病并发感染的关系糖尿病患者易于并发感染，可能机制是糖尿病患者致感染因素增多、免疫功能下降和组织修复功能减退。研究表明，GAPDH可能参与细菌逃逸宿主的免疫攻击。Terao 等通过对A组化脓性链球菌研究发现，此类化脓菌表面表达有由链球菌纤溶酶受体（Plr）/表面脱氢酶（SDH）/GAPDH组成多功能蛋白，该蛋白利用本身羧基端第114?163氨基酸残基与补体系统的C5a结合，促进C5a裂解，从而抑制C5a的中性粒细胞趋化性及随后中性粒细胞H2O2的产生；而可溶性的Plr/SDH/GAPDH则与循环中的C5a结合，起到中和作用。多功能蛋白Plr/SDH/GAPDH通过早期的黏附功能及抑制C5a活性，从而增加化脓菌的毒力，并抑制宿主的免疫监视能力[23]。
    3展望
    GAPDH作为一个多功能蛋白，其在机体的生理和病理状态下的作用越来越引起有关学者的关注。针对疾病发病机制研制GAPDH激动剂或抑制剂将有广阔的应用前景。特别是阻止GAPDH活性的抑制对糖尿病慢性并发症的防治将有实际的临床意义；对GAPDH与胰岛素通路调节关系的进一步研究，将为2型糖尿病的治疗提供一个崭新的药理靶向，为相关新药的研发带来了前景。 
 
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