Глутаматдекарбоксилаза

Глутаматдекарбоксилаза (ГДК, GAD) — это фермент (класс лиазы, КФ 4.1.1.15), который катализирует декарбоксилирование глутаминовой кислоты с образованием γ-аминомасляной кислоты (ГАМК) и углекислого газа. ГАМК является основным тормозным нейромедиатором центральной нервной системы у млекопитающих. Глутаматдекарбоксилаза играет ключевую роль в поддержании баланса между возбуждением и торможением в нейрональных сетях, а также участвует в метаболизме некоторых тканей, не связанных с нервной системой. Фермент существует в нескольких изоформах, различающихся по молекулярной массе, клеточной локализации и регуляции.

История открытия и изучения

Первые указания на существование фермента, способного превращать глутаминовую кислоту в ГАМК, были получены в 1950-х годах. В 1950 году американские биохимики Э. Робертс и С. Франкель впервые продемонстрировали образование ГАМК в мозге мышей. В 1951 году японский исследователь К. Авамура независимо подтвердил этот процесс. К началу 1960-х годов было установлено, что реакция катализируется специфическим ферментом, который был выделен и охарактеризован. В 1970-х годах были идентифицированы две основные изоформы ГДК — GAD65 и GAD67, различающиеся по молекулярной массе (65 и 67 кДа соответственно). Дальнейшие исследования в 1980–1990-х годах выявили их различную клеточную локализацию и функциональные роли, а также связь с некоторыми аутоиммунными заболеваниями, в частности с сахарным диабетом 1-го типа и неврологическими расстройствами.

Структура и изоформы

Основные изоформы млекопитающих

У млекопитающих, включая человека, экспрессируются две основные изоформы глутаматдекарбоксилазы, кодируемые разными генами:

• GAD67 (молекулярная масса ~67 кДа) — кодируется геном GAD1 (расположен на 2-й хромосоме человека). Локализуется преимущественно в цитоплазме нейронов. Считается конститутивной формой, обеспечивающей базальный уровень синтеза ГАМК для поддержания общего тормозного тонуса.
• GAD65 (молекулярная масса ~65 кДа) — кодируется геном GAD2 (расположен на 10-й хромосоме человека). Локализуется преимущественно на мембранах синаптических везикул. Эта изоформа является более динамичной и регулируемой; её активность возрастает при повышенной нейрональной активности, обеспечивая быстрый синтез ГАМК для немедленного высвобождения в синаптическую щель.

Обе изоформы являются гомодимерами, то есть состоят из двух идентичных субъединиц. Для каталитической активности каждая субъединица требует кофактора — пиридоксаль-5'-фосфата (активной формы витамина B6). GAD65 и GAD67 имеют высокую гомологию аминокислотных последовательностей (около 65% идентичности), но различаются в N-концевых участках, что определяет их разную локализацию и механизмы регуляции.

Другие изоформы

У некоторых организмов, включая бактерии, дрожжи и растения, существуют другие варианты глутаматдекарбоксилазы. Например, у бактерий Escherichia coli обнаружена ГДК, участвующая в поддержании кислотно-щелочного баланса клетки. У растений ГДК играет роль в метаболизме азота и устойчивости к стрессу.

Катализируемая реакция и механизм

Глутаматдекарбоксилаза катализирует необратимое декарбоксилирование L-глутаминовой кислоты:

L-глутамат + H⁺ → ГАМК + CO₂

Реакция протекает с участием кофактора пиридоксальфосфата (ПФ). Механизм включает образование основания Шиффа между глутаматом и ПФ, последующее декарбоксилирование с выделением CO₂ и гидролиз с образованием ГАМК и регенерацией ПФ. Оптимум pH для фермента находится в слабокислой области (pH 6,5–7,0). Активность ГДК ингибируется некоторыми аналогами глутамата, например, аллилглицином, а также продуктом реакции — ГАМК (по механизму обратной связи).

Локализация и экспрессия

В нервной системе

Глутаматдекарбоксилаза экспрессируется преимущественно в ГАМК-ергических нейронах, которые составляют около 20–30% всех нейронов коры головного мозга. Наибольшая концентрация фермента обнаружена в следующих структурах:

• Гиппокамп — ключевая область для обучения и памяти.
• Мозжечок — в клетках Пуркинье, которые являются ГАМК-ергическими.
• Базальные ганглии — в полосатом теле (стриатуме) и бледном шаре.
• Таламус — в ретикулярном ядре.
• Кора больших полушарий — в интернейронах различных слоёв.

GAD67 экспрессируется в цитоплазме всех ГАМК-ергических нейронов, тогда как GAD65 — преимущественно в терминалях аксонов, где происходит высвобождение нейромедиатора.

Вне нервной системы

Глутаматдекарбоксилаза также обнаружена в некоторых ненейрональных тканях:

• Поджелудочная железа — в β-клетках островков Лангерганса, где она участвует в синтезе ГАМК, которая может модулировать секрецию инсулина.
• Яички — в клетках Лейдига и Сертоли.
• Плацента — в трофобласте.
• Печень — в небольших количествах.

В этих тканях функция ГАМК может быть связана с паракринной сигнализацией или регуляцией клеточного метаболизма.

Физиологическая роль

Регуляция нейрональной возбудимости

Основная функция ГДК — обеспечение синтеза ГАМК, который является главным тормозным нейромедиатором в центральной нервной системе. ГАМК, связываясь с рецепторами (GABA-A, GABA-B, GABA-C), вызывает гиперполяризацию постсинаптической мембраны, снижая вероятность возникновения потенциала действия. Таким образом, ГДК участвует в поддержании баланса между возбуждением и торможением, предотвращая чрезмерную нейрональную активность, которая может привести к судорогам или эксайтотоксичности.

Метаболическая роль

ГАМК, образующаяся при участии ГДК, может также участвовать в метаболических процессах, в частности в ГАМК-шунте — альтернативном пути цикла трикарбоновых кислот. В этом пути ГАМК превращается в сукцинат, который затем входит в цикл Кребса. Это позволяет клеткам утилизировать глутамат и поддерживать энергетический обмен.

Развитие нервной системы

ГДК играет важную роль в эмбриональном развитии мозга. В раннем онтогенезе ГАМК, в отличие от взрослого состояния, может оказывать возбуждающее действие на нейроны, стимулируя нейрогенез, миграцию нейронов и синаптогенез. По мере созревания мозга баланс смещается в сторону торможения.

Патологии и клиническое значение

Аутоиммунные заболевания

Глутаматдекарбоксилаза является одной из ключевых мишеней аутоиммунной атаки при некоторых заболеваниях:

• Синдром мышечной скованности (Stiff-person syndrome) — редкое неврологическое заболевание, характеризующееся прогрессирующей мышечной ригидностью и спазмами. У большинства пациентов обнаруживаются высокие титры антител к GAD65.
• Сахарный диабет 1-го типа — аутоиммунное поражение β-клеток поджелудочной железы. Антитела к GAD65 (GADA) являются одним из основных серологических маркёров заболевания, часто появляющихся за несколько лет до клинической манифестации.
• Мозжечковая атаксия — у некоторых пациентов с антителами к GAD65 наблюдается прогрессирующая атаксия.
• Лимбический энцефалит — редкое воспалительное заболевание головного мозга, также ассоциированное с антителами к GAD65.

Эпилепсия

Нарушение функции ГДК, приводящее к снижению синтеза ГАМК, может способствовать развитию эпилептической активности. У некоторых пациентов с фокальной эпилепсией обнаружено снижение экспрессии GAD67 в очаге поражения. Генетические мутации в генах GAD1 и GAD2 могут быть связаны с повышенной предрасположенностью к судорогам.

Шизофрения и другие психические расстройства

Исследования показывают, что при шизофрении наблюдается снижение экспрессии GAD67 в определённых популяциях ГАМК-ергических интернейронов (например, в паравльбумин-позитивных клетках) в префронтальной коре. Это может быть связано с нарушением когнитивных функций и негативной симптоматикой. Также сообщается об изменении экспрессии ГДК при биполярном расстройстве и большом депрессивном расстройстве.

Нейродегенеративные заболевания

При болезни Хантингтона и болезни Паркинсона наблюдается нарушение ГАМК-ергической передачи в базальных ганглиях, что может быть связано с изменением активности ГДК. При болезни Альцгеймера также отмечаются изменения в ГАМК-ергической системе, хотя роль ГДК в этом процессе остаётся предметом изучения.

Фармакология и терапевтические подходы

Ингибиторы ГДК

Некоторые вещества способны ингибировать глутаматдекарбоксилазу. К ним относятся:

• Аллилглицин — конкурентный ингибитор.
• Гидразиды (например, изониазид) — могут вызывать дефицит витамина B6, что снижает активность ГДК.
• Вальпроевая кислота — противоэпилептический препарат, который, помимо других механизмов, может повышать уровень ГАМК, частично за счёт активации ГДК (хотя основной механизм связан с ингибированием ГАМК-трансаминазы).

Аутоиммунные заболевания

При синдроме мышечной скованности и других аутоиммунных состояниях, ассоциированных с антителами к GAD, применяются иммуносупрессивная терапия (глюкокортикоиды, ритуксимаб) и плазмаферез. В некоторых случаях используются бензодиазепины и баклофен для симптоматического контроля мышечной ригидности.

Генетические исследования

Изучение генов GAD1 и GAD2 позволяет выявить генетические факторы риска некоторых заболеваний. Полиморфизмы в этих генах могут быть связаны с предрасположенностью к шизофрении, биполярному расстройству, аутизму и эпилепсии.

Методы исследования

Для изучения глутаматдекарбоксилазы используются различные биохимические и молекулярно-биологические методы:

• Иммуногистохимия — выявление локализации GAD65 и GAD67 в тканях с помощью специфических антител.
• Вестерн-блоттинг — определение уровня экспрессии изоформ.
• Ферментативный анализ — измерение активности ГДК по скорости образования ГАМК или CO₂.
• ПЦР в реальном времени — оценка экспрессии мРНК генов GAD1 и GAD2.
• Масс-спектрометрия — количественное определение ГАМК и глутамата.
• Электрофизиология — регистрация ГАМК-ергических постсинаптических токов в срезах мозга.

Интересные факты

• В мозге человека концентрация ГАМК, образующейся при участии ГДК, составляет около 2–5 ммоль/кг ткани, что значительно выше, чем концентрация многих других нейромедиаторов.
• У некоторых видов рыб и амфибий ГДК участвует в синтезе ГАМК, которая может действовать как гормон или паракринный фактор.
• Витамин B6 (пиридоксин) является незаменимым кофактором для ГДК. Дефицит витамина B6 может приводить к снижению синтеза ГАМК и развитию судорог, особенно у новорождённых.
• Антитела к GAD65 являются одним из наиболее чувствительных и специфичных маркёров сахарного диабета 1-го типа, наряду с антителами к инсулину и островковым клеткам.

Источники

1. Martin, D. L., & Rimvall, K. (1993). Regulation of gamma-aminobutyric acid synthesis in the brain. Journal of Neurochemistry, 60(2), 395–407.
2. Erlander, M. G., & Tobin, A. J. (1991). The structural and functional heterogeneity of glutamic acid decarboxylase: a review. Neurochemical Research, 16(3), 215–226.
3. Soghomonian, J. J., & Martin, D. L. (1998). Two isoforms of glutamate decarboxylase: why? Trends in Pharmacological Sciences, 19(12), 500–505.
4. Baekkeskov, S., Aanstoot, H. J., Christgau, S., et al. (1990). Identification of the 64K autoantigen in insulin-dependent diabetes as the GABA-synthesizing enzyme glutamic acid decarboxylase. Nature, 347(6289), 151–156.
5. Solimena, M., Folli, F., Aparisi, R., et al. (1990). Autoantibodies to glutamic acid decarboxylase in a patient with stiff-man syndrome, epilepsy, and type I diabetes mellitus. The New England Journal of Medicine, 322(22), 1555–1560.
6. Lewis, D. A., Hashimoto, T., & Volk, D. W. (2005). Cortical inhibitory neurons and schizophrenia. Nature Reviews Neuroscience, 6(4), 312–324.
7. Pinal, C. S., & Tobin, A. J. (1998). Uniqueness and redundancy in GABA production. Perspectives on Developmental Neurobiology, 5(2-3), 109–118.
8. Obata, K. (1997). Excitatory and trophic action of GABA and related substances in newborn mice and organotypic cerebellar culture. Developmental Neuroscience, 19(1), 117–119.