GTP环化水解酶1(GCH1)基因与四氢生物蝶呤BH4代谢异

GTP环化水解酶1（GCH1）基因与四氢生物蝶呤BH4
代谢异常性疾病研究进展
潘冰冰程智刚王云姣杨文茜刘松华郭曲练
中南大学湘雅医院麻醉学系
GCH１基因即指导合成GTP环化水解酶1的基因，GTP环化水解酶1不仅是GTP合成四氢生物蝶呤（BH4）途径中的起始酶，还是它的限速酶。

BH4是芳香族氨基酸羟化酶的必须辅助因子，参与他们的活性调节。

因此，GCH1基因的缺陷以及突变将影响BH4的生物合成从而影响生物体内一系列的生理病理现象，本文仅就GTP环化水解酶1（GCH1）基因与四氢生物蝶呤BH4代谢异常性疾病研究进展进行简单介绍。

1.四氢生物蝶呤(BH4)的生物合成与调节
1.1四氢生物蝶呤(BH4)的生物合成
BH4 的分子式为C9H15N5O3 ,其在体内的合成有从头合成和补救合成两种途径。

生理情况下，BH4系从头合成（de novo synthesis）, I型三磷酸鸟苷环化水解酶（GTP cyclohydrolase I,GTPCH I）是合成BH4的限速酶；病理情况下，BH4可通过Salvage通路合成，即在墨蝶呤还原酶的作用下由细胞内的墨蝶呤转化而来(图1)。

三磷酸鸟苷（GTP）
GTP环化水解酶I
de novo 7,8-三磷酸二氢新蝶呤
途径6-丙酮四氢蝶呤合成酶
6-丙酮-5，6，7，8-四氢蝶呤
墨蝶呤还原酶墨蝶呤还原酶
四氢生物蝶呤(BH4)墨蝶呤
Salvage途径
图1 四氢生物蝶呤(BH4)生物合成的两条途径
de novo 途径和Salvage途径[1]
1.2 四氢生物蝶呤(BH4)合成调节
GTPCH I抑制剂2,4-二氨基-6-羟基嘧啶(DAHP)或墨蝶呤还原酶抑制剂N-乙酰-5-羟色氨酸(NAS)均能阻断BH4合成,而胰岛素等因子可刺激血管内皮细胞GTPCH I mRNA表达从而促进BH4合成。

GTPCH I是BH4从头合成途径的限速酶，控制着细胞内BH4的浓度，其活性受GTPCH反馈调节蛋白（GTPCH feedback regulatory protein, GFRP）调节。

GFRP由Harada等在1993年发现，在功能尚未明确前被称为P93蛋白，目前，GFRP已经成功地从大鼠肝脏组织中得到纯化以及克隆[2],人类GFRP系由84个氨基酸构成的五聚物，分子量为9.5kD。

两分子GFRP可与一分子GTPCH I形成GFRP/GTPCH I复合物，其中GTPCH I 的活性即被抑制[3]。

用脂多糖处理培养的人骨髓单核细胞瘤细胞,细胞内GFRP mRNA表达下降，GFRP／GTPCH I复合物形成减少,可使GTPCH I活性以及BH4水平明显增高;与此类似,给大鼠腹腔注射脂多糖,其多种组织包括肝脏、脑、肺和脾脏中GFRP mRNA表达均下调，而GTPCH I活性和BH4水平则明显增高;用NO供体处理大鼠肝细胞，亦可使GFRP mRNA表达下降,同时,细胞内GTPCH I 活性和BH4水平明显提高。

上述研究均表明，GFRP对GTPCH I活性和BH4水平有调节作用。

但是，关于血管内皮功能异常时GFPR的表达如何以及与GTPCH I活性和BH4水平变化的关系如何尚未见报道。

此外，BH4水平高低也负反馈调节GFPCH I活性，其作用机制在于，BH4可促进GTPCH I与GFRP形成复合物，从而反馈性抑制GTPCH I的活性[2-5]。

1.3四氢生物蝶呤(BH4)的生物学功能
1.3.1 作为芳香族氨基酸羟化酶如苯丙氨酸羟化酶、酪氨酸羟化酶和色氨酸羟化酶的必须辅助因子的辅因子:BH4 是芳香族氨基酸羟化酶的天然辅因子, BH4 在这些酶催化反应中起氧化还原作用。

芳香族氨基酸羟化酶是几种神经递质合成的关键酶,因此,BH4 的缺乏可引起神经递质合成障碍。

1.3.2 作为NOS的辅因子:BH4 还是NOS的辅因子,对NO的合成起调节作用。

NOS的催化活性依赖尼克酰胺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH) 和黄素单核苷酸
( FMN) 、黄素腺嘌呤二核苷酸( FAD) 、BH4、血红素铁原卟啉复合物IX4个辅因子。

NOS以同源二聚体形式发挥作用,其中每个亚基包含1个提供电子的碳端还原酶区域(NOSred)和含有催化中心的氮端氧化酶区域(NOSox) 。

NOSred上结合FAD、FMN和NADPH,主要为血红素提供电子。

NOSox则结合血红素、BH4和底物L-精氨酸,主要催化L-精氨酸生成NO和L-胍氨酸。

这两个区域通过一个能结合钙调蛋白(CaM)的片段相连,与CaM结合是结构型NOS ( cNOS)发挥活性所必需的,它能控制电子从黄素转移到血红素上。

BH4 在NOS催化反应中的确切作用还不清楚,目前仅确定BH4 有稳定NOS活性二聚体结构、增加底物L-精氨酸与酶亲和力的作用[ 6 ] 。

有人提出BH4 的作用类似于在芳香族氨基酸羟化酶反应中的氧化还原作用,但至今没有直接证据证明。

2. 四氢生物蝶呤(BH4)代谢异常及其相关疾病
2.1 BH4减少
2.1.1多巴反应性肌张力障碍
多巴反应性肌张力障碍( dopa-responsive dystonia, DRD)是原发性肌张力障碍的一种特殊类型,又称为伴显著昼间波动的遗传性进行性肌张力障碍( hereditary progressive dystonia with marked diurnal fluctuation, HPD)或Segawa 病，是一种常染色体显性遗传的姿势性肌张力障碍，其临床特征是症状在昼间明显波动，且对左旋多巴有明显而持久的疗效。

其发病与黑质多巴胺神经元轴突末端酪氨酸羟化酶活性下降有关；通过基因组搜索法，HPD的致病基因定位于14号染色体，候选基因法证实本病由位于14号染色体14q22.1-22.2 的GCH1基因的异常，导致四氢生物喋呤（BH4）合成不足，而后者是酪氨酸羟化酶必需的辅助因子，BH4的不足必然影响酪氨酸羟化酶活性，导致多巴胺合成障碍，从而出现肌张力的异常。

[7]
2.1.2高苯丙氨酸血症
高苯丙氨酸血症( hyperphenylalaninemia ,HPA) 中最常见的是由苯丙氨酸羟化酶缺乏引起的苯丙酮尿症( phenylketonuria , PKU) , 由于PKU 可以治疗,新生儿HPA 的筛查在我国已逐步普及,许多PKU 患者得到及早的诊治,智力发育接近正常。

值得注意的是少数HPA 是由四氢生物蝶呤(BH4)缺乏引起的,由于BH4 缺乏型HPA的治疗不同于PKU ,预后比较差。

BH4 缺乏型HPA是一种极少见的常染
色体隐性遗传代谢病。

其特点是血苯丙氨酸(Phe)增高及进行性神经系统症状,即使用低Phe 饮食将血Phe 控制在正常范围仍无法改善症状。

这是因为BH4 不仅是苯丙氨酸羟化酶的辅因子,BH4 缺乏损害3种芳香族氨基酸羟化反应而导致脑内神经递质左旋多巴和5-羟色胺的生成减少。

除造成HPA 外,还影响到脑细胞中髓鞘蛋白的合成,造成神经介质的减少。

[8]
2.1.3 高血压
在高血压病人中发现其前臂血管对内皮依赖性血管舒张剂(如Ach)的反应性降低,相同实验条件下,不依赖内皮的扩血管药物(如硝普钠)却能获得降压效果,说明高血压患者血管内皮功能受损。

[9]有证据表明在自发性高血压大鼠( SHR)及高血压病人中,其血管内皮产生NO的酶途径受损。

Kerr等发现SHR 动脉中尽管eNOS表达增加,但由于其功能的改变,内皮中O H2 生成增多, NO 的生物利用度仍降低。

造成eNOS功能改变的原因是由于BH4 的氧化, 对P47phox (NADPH 氧化酶的一种重要组分)缺陷型小鼠的研究发现, BH4 氧化减少, O H2 的生成减少,说明高血压中NADPH氧化酶是氧化BH4 的主要酶。

应用BH4 缺乏小鼠模型(高苯丙氨酸突变鼠, hph21)作的研究显示, eNOS活性降低,收缩压升高,提示BH4 不足所致的eNOS功能异常在血压调节中的重要性。

[10]
2.1.4 高胆固醇血症及动脉粥样硬化
研究发现高胆固醇血症病人冠状动脉内皮舒血管功能受损,以NO生物活性降低为特征。

高胆固醇血症中所存在的内皮功能损伤是动脉粥样硬化发展的起始事件,形成动脉硬化后,内皮损伤进一步加剧。

在家兔实验中,药物抑制eNOS,减少内源性NO的形成可加速动脉硬化的进程,因此保持血管内NO生物活性是抑制动脉硬化发展的一种治疗策略,如上调eNOS表达或提高NO活性。

但在动脉硬化模型中, eNOS过表达却非但不能抑制动脉硬化的发展反而促进其损害。

在脂蛋白E ( apoE)缺陷小鼠中,用转基因技术使eNOS过表达,与单纯apoE缺陷小鼠作比较,发现虽然前者eNOS表达和NO生成均高于后者,但其产生的NO 相对于eNOS 表达量来说要低的多,而内皮中O H2 生成却大量增加,说明在apoE缺陷模型中eNOS功能发生了改变,给予BH4 后,O H2 生成减少,NO产量明显增加,动脉损伤面积大大缩小。

另外,新近研究在apoE模型中使用转基因技术使(GTPCH Ⅰ)过表达,以增加BH4 的生物合成,也可以提高内皮源性血管舒张功能,并能减少动脉
硬化斑的形成。

所以BH4 对于改善eNOS功能,提高NO活性有着积极作用,不失为一种防治动脉硬化的新方法。

另外BH4 还可调节血小板内NO含量,在狗的冠状动脉综合征实验模型中发现血小板内BH4 明显降低,P2选择素表达增加,外源性给予BH4 后,可增加血小板内BH4 水平,降低P2选择素表达,由此说明BH4 还具有抑制冠状动脉血栓形成的作用。

2.1.5 糖尿病
糖尿病伴发血管疾病者甚多,近来研究发现这与糖尿病患者机体中内皮功能异常有密切关系,糖尿病实验动物模型及病人中均证明存在着内皮依赖性血管舒张功能减弱现象,其显著特点是内皮源性NO活性降低,NO生物活性降低的机制包括氧化应激和BH4代谢异常。

实验证明糖尿病病人血管内皮中O H2产生增多,可大量灭活NO,增多的O H2 除NADPH氧化酶这一主要来源外,还来源于功能异常的eNOS。

给予墨蝶呤及用L2NMMA均可减少O H2 的产生。

另外,胰岛素可影响BH4 的代谢，胰岛素抵抗状态时,机体内皮细胞中GTPCH I活性降低,该酶活性的降低势必要影响BH4 的合成。

在链脲霉素诱导的糖尿病大鼠中,血管氧化应激增加,致使BH4 大量被氧化,形成BH2 和蝶呤,内皮细胞内氧自由基产生增加,NO介导的内皮依赖性血管舒张功能下降。

利用转基因技术使糖尿病大鼠模型中GTPCH I过表达,可明显减少内皮细胞产生的自由基,并使BH4 的量维持正常。

[11]有研究证明,生物喂饲的糖尿病大鼠模型中,内皮细胞产生NO能力降低,糖尿病大鼠内皮中BH4 的量仅是正常大鼠内皮的12%,用墨蝶呤增加细胞内BH4 水平,可增加NO的合成。

因此,BH4 对防止糖尿病血管并发症具有有益作用。

2.2 BH4增多
2.2.1 GCH1基因和BH4与疼痛的敏感性和持续性有关[12]：哈佛医学院教授Clifford Woolf 研究小组发现了调控神经递质合成水平来控制动物对疼痛感受的途径。

研究者还发现人体基因的差别与疼痛低敏感性和手术后快速恢复密切相关。

这种影响疼痛感的基因即GCH1基因，编码GTP环化水解酶，GTP是生成BH-4(四氢生物蝶呤)的一种必需的辅助酶。

研究人员首先对坐骨神经损伤中基因表达中发生重大变化的基因进行分析，并确定出GCH1，GCH1编码的GTP环化水解酶是合成BH4所需要的第一个酶同时也是关键酶，这个研究首次证实
GCH1基因和BH4在感觉疼痛中也具有重要的作用。

[13]研究人员在几种疼痛动物模型中测定了GCH1和BH4的活动，他们发现出现神经痛的大鼠中，其GCH1基因和BH4的活性明显升高。

研究者在神经疼痛和炎症疼痛的动物模型中注射GCH1活性抑制剂DAHP，证实能够减轻动物对疼痛的敏感性，相反，给模型注射BH4能明显增加对疼痛的敏感性。

而另一组研究人员在人类中观察GCH1基因的变化，并且发现GCH1基因的一个特殊突变可预防手术后的慢性疼痛。

在被分析的志愿者中，大约有28%的人群基因中有一个突变基因的拷贝，而GCH1基因两个拷贝都发生突变的患者出现手术后疼痛的可能性最小。

[14]但是，最新的研究发现，由于人群的分层现象，在欧洲人群中做GCH1基因、BH4和疼痛关联性的分析并不具有统计学意义[15],这个结论有待进一步研究。

3. 展望
近年来,越来越多的研究表明, GCH１基因(即指导合成GTPCH I的基因)在BH4的合成及代谢作用中起重要作用，GCH1基因的缺陷以及突变将影响BH4的生物合成从而引起生物体内一系列的生理病理现象。

因此,可以利用基因来预防以及治疗某些与BH4代谢异常有关的疾病。