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GCH1基因即指導(dǎo)合成gtp環(huán)化水解酶1的基因，GTP環(huán)化水解酶1不僅是GTP合成四氫生物蝶呤（BH4）途徑中的起始酶，還是它的限速酶。BH4是芳香族氨基酸羥化酶的必須輔助因子，參與他們的活性調(diào)節(jié)論文。因此，GCH1基因的缺陷以及突變將影響B(tài)H4的生物合成從而影響生物體內(nèi)一系列的生理病理現(xiàn)象，本文僅就GTP環(huán)化水解酶1（GCH1）基因與四氫生物蝶呤BH4代謝異常性疾病研究進(jìn)展進(jìn)行簡單介紹。

1.四氫生物蝶呤(BH4)的生物合成與調(diào)節(jié)

1.1四氫生物蝶呤(BH4)的生物合成

BH4的分子式為C9H15N5O3,其在體內(nèi)的合成有從頭合成和補(bǔ)救合成兩種途徑。生理情況下，BH4系從頭合成（denovosynthesis）,I型三磷酸鳥苷環(huán)化水解酶（GTPcyclohydrolaseI,GTPCHI）是合成BH4的限速酶；病理情況下，BH4可通過Salvage通路合成，即在墨蝶呤還原酶的作用下由細(xì)胞內(nèi)的墨蝶呤轉(zhuǎn)化而來(圖1)。

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1.2四氫生物蝶呤(BH4)合成調(diào)節(jié)

GTPCHI抑制劑2,4-二氨基-6-羥基嘧啶(DAHP)或墨蝶呤還原酶抑制劑N-乙酰-5-羥色氨酸(NAS)均能阻斷BH4合成,而胰島素等因子可刺激血管內(nèi)皮細(xì)胞GTPCHImRNA表達(dá)從而促進(jìn)BH4合成。GTPCHI是BH4從頭合成途徑的限速酶，控制著細(xì)胞內(nèi)BH4的濃度，其活性受GTPCH反饋調(diào)節(jié)蛋白（GTPCHfeedbackregulatoryprotein,GFRP）調(diào)節(jié)。GFRP由Harada等在1993年發(fā)現(xiàn)，在功能尚未明確前被稱為P93蛋白，目前，GFRP已經(jīng)成功地從大鼠肝臟組織中得到純化以及克隆[2],人類GFRP系由84個(gè)氨基酸構(gòu)成的五聚物，分子量為9.5kD。兩分子GFRP可與一分子GTPCHI形成GFRP/GTPCHI復(fù)合物，其中GTPCHI的活性即被抑制[3]。用脂多糖處理培養(yǎng)的人骨髓單核細(xì)胞瘤細(xì)胞,細(xì)胞內(nèi)GFRPmRNA表達(dá)下降，GFRP／GTPCHI復(fù)合物形成減少,可使GTPCHI活性以及BH4水平明顯增高;與此類似,給大鼠腹腔注射脂多糖,其多種組織包括肝臟、腦、肺和脾臟中GFRPmRNA表達(dá)均下調(diào)，而GTPCHI活性和BH4水平則明顯增高;用NO供體處理大鼠肝細(xì)胞，亦可使GFRPmRNA表達(dá)下降,同時(shí),細(xì)胞內(nèi)GTPCHI活性和BH4水平明顯提高。上述研究均表明，GFRP對GTPCHI活性和BH4水平有調(diào)節(jié)作用。但是，關(guān)于血管內(nèi)皮功能異常時(shí)GFPR的表達(dá)如何以及與GTPCHI活性和BH4水平變化的關(guān)系如何尚未見報(bào)道。此外，BH4水平高低也負(fù)反饋調(diào)節(jié)GFPCHI活性，其作用機(jī)制在于，BH4可促進(jìn)GTPCHI與GFRP形成復(fù)合物，從而反饋性抑制GTPCHI的活性[2-5]。

1.3四氫生物蝶呤(BH4)的生物學(xué)功能

1.3.1作為芳香族氨基酸羥化酶如苯丙氨酸羥化酶、酪氨酸羥化酶和色氨酸羥化酶的必須輔助因子的輔因子:BH4是芳香族氨基酸羥化酶的天然輔因子,BH4在這

GTP環(huán)化水解酶1（GCH1）基因與四氫生物蝶呤BH4代謝異常性疾病研究進(jìn)展

些酶催化反應(yīng)中起氧化還原作用。芳香族氨基酸羥化酶是幾種神經(jīng)遞質(zhì)合成的關(guān)鍵酶,因此,BH4的缺乏可引起神經(jīng)遞質(zhì)合成障礙。

1.3.2作為NOS的輔因子:BH4還是NOS的輔因子,對NO的合成起調(diào)節(jié)作用。NOS的催化活性依賴尼克酰胺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)和黃素單核苷酸(FMN)、黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)、BH4、血紅素鐵原卟啉復(fù)合物IX4個(gè)輔因子。NOS以同源二聚體形式發(fā)揮作用,其中每個(gè)亞基包含1個(gè)提供電子的碳端還原酶區(qū)域(NOSred)和含有催化中心的氮端氧化酶區(qū)域(NOSox)。NOSred上結(jié)合FAD、FMN和NADPH,主要為血紅素提供電子。NOSox則結(jié)合血紅素、BH4和底物L(fēng)-精氨酸,主要催化L-精氨酸生成NO和L-胍氨酸。這兩個(gè)區(qū)域通過一個(gè)能結(jié)合鈣調(diào)蛋白(CaM)的片段相連,與CaM結(jié)合是結(jié)構(gòu)型NOS(cNOS)發(fā)揮活性所必需的,它能控制電子從黃素轉(zhuǎn)移到血紅素上。BH4在NOS催化反應(yīng)中的確切作用還不清楚,目前僅確定BH4有穩(wěn)定NOS活性二聚體結(jié)構(gòu)、增加底物L(fēng)-精氨酸與酶親和力的作用[6]。有人提出BH4的作用類似于在芳香族氨基酸羥化酶反應(yīng)中的氧化還原作用,但至今沒有直接證據(jù)證明。

2.四氫生物蝶呤(BH4)代謝異常及其相關(guān)疾病

2.1BH4減少

2.1.1多巴反應(yīng)性肌張力障礙

多巴反應(yīng)性肌張力障礙(dopa-responsivedystonia,DRD)是原發(fā)性肌張力障礙的一種特殊類型,又稱為伴顯著晝間波動的遺傳性進(jìn)行性肌張力障礙(hereditaryprogressivedystoniawithmarkeddiurnalfluctuation,HPD)或Segawa病，是一種常染色體顯性遺傳的姿勢性肌張力障礙，其臨床特征是癥狀在晝間明顯波動，且對左旋多巴有明顯而持久的療效。其發(fā)病與黑質(zhì)多巴胺神經(jīng)元軸突末端酪氨酸羥化酶活性下降有關(guān)；通過基因組搜索法，HPD的致病基因定位于14號染色體，候選基因法證實(shí)本病由位于14號染色體14q22.1-22.2的GCH1基因的異常，導(dǎo)致四氫生物喋呤（BH4）合成不足，而后者是酪氨酸羥化酶必需的輔助因子，BH4的不足必然影響酪氨酸羥化酶活性，導(dǎo)致多巴胺合成障礙，從而出現(xiàn)肌張力的異常。[7]

2.1.2高苯丙氨酸血癥

高苯丙氨酸血癥(hyperphenylalaninemia,HPA)中最常見的是由苯丙氨酸羥化酶缺乏引起的苯丙酮尿癥(phenylketonuria,PKU),由于PKU可以治療,新生兒HPA的篩查在我國已逐步普及,許多PKU患者得到及早的診治,智力發(fā)育接近正常。值得注意的是少數(shù)HPA是由四氫生物蝶呤(BH4)缺乏引起的,由于BH4缺乏型HPA的治療不同于PKU,預(yù)后比較差。BH4缺乏型HPA是一種極少見的常染色體隱性遺傳代謝病。其特點(diǎn)是血苯丙氨酸(Phe)增高及進(jìn)行性神經(jīng)系統(tǒng)癥狀,即使用低Phe飲食將血Phe控制在正常范圍仍無法改善癥狀。這是因?yàn)锽H4不僅是苯丙氨酸羥化酶的輔因子,BH4缺乏損害3種芳香族氨基酸羥化反應(yīng)而導(dǎo)致腦內(nèi)神經(jīng)遞質(zhì)左旋多巴和5-羥色胺的生成減少。除造成HPA外,還影響到腦細(xì)胞中髓鞘蛋白的合成,造成神經(jīng)介質(zhì)的減少。[8]

2.1.3高血壓

在高血壓病人中發(fā)現(xiàn)其前臂血管對內(nèi)皮依賴性血管舒張劑(如Ach)的反應(yīng)性降低,相同實(shí)驗(yàn)條件下,不依賴內(nèi)皮的擴(kuò)血管藥物(如硝普鈉)卻能獲得降壓效果,說明高血壓患者血管內(nèi)皮功能受損。[9]有證據(jù)表明在自發(fā)性高血壓大鼠(SHR)及高血壓病人中,其血管內(nèi)皮產(chǎn)生NO的酶途徑受損。Kerr等發(fā)現(xiàn)SHR動脈中盡管eNOS表達(dá)增加,但由于其功能的改變,內(nèi)皮中OH2生成增多,NO的生物利用度仍降低。造成eNOS功能改變的原因是由于BH4的氧化,對P47phox(NADPH氧化酶的一種重要組分)缺陷型小鼠的研究發(fā)現(xiàn),BH4氧化減少,OH2的生成減少,說明高血壓中NADPH氧化酶是氧化BH4的主要酶。應(yīng)用BH4缺乏小鼠模型(高苯丙氨酸突變鼠,hph21)作的研究顯示,eNOS活性降低,收縮壓升高,提示BH4不足所致的eNOS功能異常在血壓調(diào)節(jié)中的重要性。[10]

2.1.4高膽固醇血癥及動脈粥樣硬化

研究發(fā)現(xiàn)高膽固醇血癥病人冠狀動脈內(nèi)皮舒血管功能受損,以NO生物活性降低為特征。高膽固醇血癥中所存在的內(nèi)皮功能損傷是動脈粥樣硬化發(fā)展的起始事件,形成動脈硬化后,內(nèi)皮損傷進(jìn)一步加劇。在家兔實(shí)驗(yàn)中,藥物抑制eNOS,減少內(nèi)源性NO的形成可加速動脈硬化的進(jìn)程,因此保持血管內(nèi)NO生物活性是抑制動脈硬化發(fā)展的一種治療策略,如上調(diào)eNOS表達(dá)或提高NO活性。但在動脈硬化模型中,eNOS過表達(dá)卻非但不能抑制動脈硬化的發(fā)展反而促進(jìn)其損害。在脂蛋白E(apoE)缺陷小鼠中,用轉(zhuǎn)基因技術(shù)使eNOS過表達(dá),與單純apoE缺陷小鼠作比較,發(fā)現(xiàn)雖然前者eNOS表達(dá)和NO生成均高于后者,但其產(chǎn)生的NO相對于eNOS表達(dá)量來說要低的多,而內(nèi)皮中OH2生成卻大量增加,說明在apoE缺陷模型中eNOS功能發(fā)生了改變,給予BH4后,OH2生成減少,NO產(chǎn)量明顯增加,動脈損傷面積大大縮小。另外,新近研究在apoE模型中使用轉(zhuǎn)基因技術(shù)使(GTPCHⅠ)過表達(dá),以增加BH4的生物合成,也可以提高內(nèi)皮源性血管舒張功能,并能減少動脈硬化斑的形成。所以BH4對于改善eNOS功能,提高NO活性有著積極作用,不失為一種防治動脈硬化的新方法。另外BH4還可調(diào)節(jié)血小板內(nèi)NO含量,在狗的冠狀動脈綜合征實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭邪l(fā)現(xiàn)血小板內(nèi)BH4明顯降低,P2選擇素表達(dá)增加,外源性給予BH4后,可增加血小板內(nèi)BH4水平,降低P2選擇素表達(dá),由此說明BH4還具有抑制冠狀動脈血栓形成的作用。

2.1.5糖尿病

糖尿病伴發(fā)血管疾病者甚多,近來研究發(fā)現(xiàn)這與糖尿病患者機(jī)體中內(nèi)皮功能異常有密切關(guān)系,糖尿病實(shí)驗(yàn)動物模型及病人中均證明存在著內(nèi)皮依賴性血管舒張功能減弱現(xiàn)象,其顯著特點(diǎn)是內(nèi)皮源性NO活性降低,NO生物活性降低的機(jī)制包括氧化應(yīng)激和BH4代謝異常。實(shí)驗(yàn)證明糖尿病病人血管內(nèi)皮中OH2產(chǎn)生增多,可大量滅活NO,增多的OH2除NADPH氧化酶這一主要來源外,還來源于功能異常的eNOS。給予墨蝶呤及用L2NMMA均可減少OH2的產(chǎn)生。另外,胰島素可影響B(tài)H4的代謝，胰島素抵抗?fàn)顟B(tài)時(shí),機(jī)體內(nèi)皮細(xì)胞中GTPCHI活性降低,該酶活性的降低勢必要影響B(tài)H4的合成。在鏈脲霉素誘導(dǎo)的糖尿病大鼠中,血管氧化應(yīng)激增加,致使BH4大量被氧化,形成BH2和蝶呤,內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)氧自由基產(chǎn)生增加,NO介導(dǎo)的內(nèi)皮依賴性血管舒張功能下降。利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)使糖尿病大鼠模型中GTPCHI過表達(dá),可明顯減少內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生的自由基,并使BH4的量維持正常。[11]有研究證明,生物喂飼的糖尿病大鼠模型中,內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生NO能力降低,糖尿病大鼠內(nèi)皮中BH4的量僅是正常大鼠內(nèi)皮的12%,用墨蝶呤增加細(xì)胞內(nèi)BH4水平,可增加NO的合成。因此,BH4對防GTP環(huán)化水解酶1（GCH1）基因與四氫生物蝶呤BH4代謝異常性疾病研究進(jìn)展

止糖尿病血管并發(fā)癥具有有益作用。

2.2BH4增多

2.2.1GCH1基因和BH4與疼痛的敏感性和持續(xù)性有關(guān)[12]：哈佛醫(yī)學(xué)院教授CliffordWoolf研究小組發(fā)現(xiàn)了調(diào)控神經(jīng)遞質(zhì)合成水平來控制動物對疼痛感受的途徑。研究者還發(fā)現(xiàn)人體基因的差別與疼痛低敏感性和手術(shù)后快速恢復(fù)密切相關(guān)。這種影響疼痛感的基因即GCH1基因，編碼GTP環(huán)化水解酶，GTP是生成BH-4(四氫生物蝶呤)的一種必需的輔助酶。研究人員首先對坐骨神經(jīng)損傷中基因表達(dá)中發(fā)生重大變化的基因進(jìn)行分析，并確定出GCH1，GCH1編碼的GTP環(huán)化水解酶是合成BH4所需要的第一個(gè)酶同時(shí)也是關(guān)鍵酶，這個(gè)研究首次證實(shí)GCH1基因和BH4在感覺疼痛中也具有重要的作用。[13]研究人員在幾種疼痛動物模型中測定了GCH1和BH4的活動，他們發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)神經(jīng)痛的大鼠中，其GCH1基因和BH4的活性明顯升高。研究者在神經(jīng)疼痛和炎癥疼痛的動物模型中注射GCH1活性抑制劑DAHP，證實(shí)能夠減輕動物對疼痛的敏感性，相反，給模型注射BH4能明顯增加對疼痛的敏感性。而另一組研究人員在人類中觀察GCH1基因的變化，并且發(fā)現(xiàn)GCH1基因的一個(gè)特殊突變可預(yù)防手術(shù)后的慢性疼痛。在被分析的志愿者中，大約有28%的人群基因中有一個(gè)突變基因的拷貝，而GCH1基因兩個(gè)拷貝都發(fā)生突變的患者出現(xiàn)手術(shù)后疼痛的可能性最小。[14]但是，最新的研究發(fā)現(xiàn)，由于人群的分層現(xiàn)象，在歐洲人群中做GCH1基因、BH4和疼痛關(guān)聯(lián)性的分析并不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[15],這個(gè)結(jié)論有待進(jìn)一步研究。

3.展望

近年來,越來越多的研究表明,GCH1基因(即指導(dǎo)合成GTPCHI的基因)在BH4的合成及代謝作用中起重要作用，GCH1基因的缺陷以及突變將影響B(tài)H4的生物合成從而引起生物體內(nèi)一系列的生理病理現(xiàn)象。因此,可以利用基因來預(yù)防以及治療某些與BH4代謝異常有關(guān)的疾病