グルタミン酸脱炭酸酵素

グルタミン酸脱炭酸酵素1
GAD67 はPDBから派生: 2okj
識別子
シンボル	ガド1
代替記号	グルタミン酸脱炭酸酵素1 （脳、67kD）；GAD67
NCBI遺伝子	2571
HGNC	4092
オミム	605363
参照シーケンス	NM_000817
ユニプロット	Q99259
その他のデータ
EC番号	4.1.1.15
軌跡	第2章第 31節
検索する 構造 スイスモデル ドメイン インタープロ

グルタミン酸脱炭酸酵素またはグルタミン酸脱炭酸酵素( GAD ) は、グルタミン酸をγ-アミノ酪酸(GABA) と二酸化炭素 ( CO ₂ )に脱炭酸する反応を触媒する酵素です。GAD はピリドキサールリン酸(PLP)を補因子として使用します。反応は次のように進行します。

HOOC−CH ₂ −CH ₂ −CH(NH ₂ )−COOH → CO ₂ + HOOC−CH ₂ −CH ₂ −CH ₂ NH ₂

哺乳類では、GAD は分子量 67 kDa と 65 kDaの2 つのアイソフォーム(GAD ₆₇と GAD ₆₅ ) で存在し、これらは異なる染色体(ヒトではそれぞれ染色体 2と10にあるGAD1遺伝子とGAD2遺伝子) 上の 2 つの異なる遺伝子によってコード化されています。 ^{[1] [2]} GAD ₆₇と GAD _{65 は、GABA が}神経伝達物質として使用される脳で発現し、また、種によって異なる比率で膵臓のインスリン産生 β 細胞でも発現しています。[ 3 ]これら2つ^の酵素が一緒になって、哺乳類における GABA の主要な生理的供給を維持していますが、^[2]腸管神経系、^[4]脳、^{[5] [6]および他の場所で}ジアミン酸化酵素とアルデヒド脱水素酵素 1a1の作用によってプトレシンから合成されることもあります。^{[4] [6]}

GAD ₆₇のいくつかの短縮転写産物とポリペプチドは発達中の脳で検出されますが^[7]、それらの機能は、もしあるとしても不明です。

GAD の両アイソフォームはホモ二量体構造で、3 つの主要ドメイン (PLP、C 末端ドメイン、N 末端ドメイン) から構成されています。この酵素の PLP 結合ドメインは、タイプ I PLP 依存性トランスフェラーゼのようなフォールドを採用しています。^[8]反応は、PLP と Lys405 間のシッフ塩基結合を伴う標準的なメカニズムによって進行します。PLP は、隣接するヒスチジン残基との塩基スタッキングによって所定の位置に保持され、GABA は、カルボキシル基がアルギニンと塩橋を形成し、グルタミンと水素結合を形成するように配置されます。

活性部位はこの界面にあるため、二量体化は機能維持に不可欠であり、2つの鎖間の最適な結合を妨げる変異は統合失調症などの病理に関連している。^{[9] [10]} 2-ケト-4-ペンテン酸（KPA）やエチルケトペンテン酸（EKP）などのGAD阻害剤による二量体化の妨害も、GABA産生と発作の発生率の劇的な減少につながることが示された。^{[11] [8]}

触媒活性は、二量体界面の短い柔軟なループ（GAD67 では残基 432～442、GAD65 では 423～433）によって媒介されます。GAD67 では、このループは固定されたままで、活性部位を覆い、GABA 産生を維持するための触媒環境を提供します。GAD65 でのこのループの可動性は副反応を促進し、PLP の放出をもたらし、自己不活性化につながります。^[12]このループのコンフォメーションは C 末端ドメインと密接に関連しており、これも自己不活性化の速度に影響します。^[13]さらに、GABA が結合した GAD65 は本質的に柔軟であり、状態の集合体として存在するため、1 型糖尿病で見られるような自己抗原性の機会が増えます。^{[14] [15]}大腸菌由来の GAD は、pH 依存的なコンフォメーション変化など、追加の構造上の複雑さを示します。この挙動は、酸性環境下で六量体タンパク質のN末端によって形成される三重らせん束の存在によって定義される。^[16]

2 つの遺伝子の配列は広範囲に類似しているにもかかわらず、GAD65 と GAD67 は人体内で非常に異なる役割を果たします。さらに、研究により、GAD65 と GAD67 は明確に異なる細胞メカニズムによって制御されることが示唆されています。

GAD ₆₅と GAD _{67 は}、細胞内の異なる場所で、異なる発達時期に、機能的に異なる目的で GABA を合成します。^{[17] [18]} GAD _{67 は}細胞全体に均等に広がっていますが、GAD _{65 は}神​​経終末に局在しています。^{[17] [19] [20]} GAD ₆₇は、シナプス形成や神経損傷からの保護など、神経伝達に関係のないニューロン活動のために GABA を合成します。^{[17] [18]}この機能には、GABA が広範囲かつ遍在的に存在することが必要です。ただし、GAD _{65 は神​​経伝達のために GABA を合成するため、} ^[17]神経終末とシナプスでのみ必要です。神経伝達を助けるために、GAD _{65 は}熱ショック同族体 70 (HSC ₇₀ )、システイン鎖タンパク質 (CSP)、小胞 GABA トランスポーター VGAT と複合体を形成し、複合体として神経伝達中に放出される GABA を小胞にパッケージ化するのに役立ちます。^[21] GAD ₆₇は発達初期に転写されますが、GAD _{65 は}後年まで転写されません。^{[17] GAD} ₆₇と GAD ₆₅のこの発達上の違いは、各アイソフォームの機能特性を反映しています。GAD _{67 は}正常な細胞機能のために発達全体にわたって必要ですが、GAD _{65 は}シナプス抑制がより一般的になる発達の少し後まで必要ありません。^[17]

GAD ₆₇と GAD _{65 は翻訳後にも異なる調節を受けます。GAD 65}と GAD _{67 は}どちらも動的触媒ループのリン酸化によって調節されますが^{[22] [12]}、これらのアイソフォームの調節は異なります。GAD ₆₅はリン酸化によって活性化されますが、GAD _{67 は}リン酸化によって阻害されます。GAD67 は主に活性化された状態 (~92%) で見つかります。一方、GAD65 は主に不活性化された状態 (~72%) で見つかります。^[23] GAD ₆₇はタンパク質キナーゼ A (PKA) によってトレオニン 91 でリン酸化されますが、GAD ₆₅はタンパク質キナーゼ C (PKC) によってリン酸化され、そのため調節されます。GAD ₆₇と GAD _{65 はどちらも翻訳後に}ピリドキサール 5'-リン酸(PLP)によっても調節されます。 GADはPLPに結合すると活性化され、PLPに結合していないときは不活性となる。^[23] GAD ₆₇の大部分は常にPLPに結合しているが、GAD _65は神経伝達にGABAが必要なときにPLPに結合します。^[23]これは2つのアイソフォームの機能特性を反映しており、GAD _67は正常な細胞機能のために常に活性化している必要があり、したがってPLPによって常に活性化されるのに対し、GAD _65はGABA神経伝達が発生したときにのみ活性化される必要があり、したがってシナプス環境に応じて制御されます。

マウスを使った研究では、Gad67とGad65の機能的な違いも示されています。GAD67−/−マウスは口蓋裂を持って生まれ、生後1日以内に死亡しますが、GAD65−/−マウスは発作の傾向がわずかに増加したものの生存します。さらに、GAD65+/-は、人間の注意欠陥多動性障害（ADHD）と同様に定義される症状があります。^[24]

GAD67とGAD65はどちらも、人間の神経系内のすべてのタイプのシナプスに存在します。これには、樹状突起、軸索、軸索樹状突起のシナプスが含まれます。予備的な証拠は、GAD65が視覚系と神経内分泌系で優位であり、これらの系ではより位相的な変化が起こることを示唆しています。また、GAD67は緊張性活性ニューロンに多く存在すると考えられています。^[25]

GAD65とGAD67はどちらも自閉症の症例で著しいダウンレギュレーションを経験します。自閉症の脳と対照群の脳を比較すると、GAD65とGAD67は自閉症の脳の頭頂葉と小脳皮質で平均50%のダウンレギュレーションを経験しました。^[26]小脳プルキンエ細胞も40%のダウンレギュレーションを報告しており、影響を受けた小脳核が脳の高次運動領域と認知領域への出力を妨げる可能性があることを示唆しています。^[18]

GAD ₆₇と GAD _{65 はどちらも、後に 1 型}糖尿病または潜在性自己免疫糖尿病を発症する人の自己抗体の標的です。^{[27] [28]}免疫寛容を誘導する方法でGAD _{65を注射すると、げっ歯類モデルで 1 型糖尿病を予防できることが示されています。} ^{[29] [30] [31]}臨床試験では、GAD ₆₅を注射すると、1 型糖尿病のヒトで 30 か月間インスリン産生がいくらか維持されることが示されています。^{[32] [33]} Cochraneの系統的レビューでは、GAD ₆₅による治療から 5 年後に成人の潜在性自己免疫糖尿病の症例で C ペプチド レベルが改善したことを示す 1 つの研究も検討されました。それでも、このレビューに含めることができる利用可能な研究には、品質とデザインにかなりの欠陥があることを強調することが重要です。^[34]

グルタミン酸脱炭酸酵素（GAD）に対する自己抗体の高力価は、スティフパーソン症候群（SPS）との関連でよく文書化されている。^[35]グルタミン酸脱炭酸酵素はγ-アミノ酪酸（GABA）の合成における律速酵素であり、GABA作動性ニューロンの機能障害がSPSの発症に関与していると考えられている。GADに対する自己抗体は、原因物質または疾患マーカーである可能性がある。^[36]

統合失調症と双極性障害では、GAD mRNA発現の大幅な調節異常と、リーリンのダウンレギュレーションが観察されている。^{[37] [38]}最も顕著なGAD _{67のダウンレギュレーションは、両疾患の海馬}オリエンス層で確認され、海馬の他の層や構造でも程度の差はあるものの認められた。^[39]

GAD _{67は抑制性神経伝達物質}GABAの合成に関与する重要な酵素であり、統合失調症患者は健常者と比較して背外側前頭前野におけるGAD _{67の発現量が低いことが示されています。} ^[40]統合失調症患者のGAD ₆₇ レベル低下の背後にあるメカニズムは不明です。 ^[41]通常GAD _67のプロモーター領域に結合し、GAD ₆₇の転写を増加させる 前初期遺伝子Zif2​​68が統合失調症患者では低く、これがGAD ₆₇レベル低下の一因となっていると提唱する人もいます。^[40] 背外側前頭前野（DLPFC）は作業記憶に関与しており、統合失調症患者のDLPFCでは_GAD67とZif268のmRNAレベルが低いため、この分子変化が、少なくとも部分的には、この疾患に関連する作業記憶障害の原因となっている可能性がある。

進行性でレボドパに反応するパーキンソン病を患う30歳から75歳の患者の視床下核にアデノ随伴ウイルスベクターによるグルタミン酸脱炭酸酵素（GAD）を両側から送達したところ、6か月間の研究期間中にベースラインと比較して有意な改善がみられました。^[42]

動物の小脳内にGAD自己抗体を投与すると、運動ニューロンの興奮性が高まり、学習に関与する分子である一酸化窒素（NO）の産生が阻害される。エピトープ認識は小脳の関与に寄与する。 ^[43] GABAレベルの低下は、GABA受容体のサブタイプの阻害の低下の結果としてグルタミン酸レベルを上昇させる。グルタミン酸レベルの上昇はミクログリアを活性化し、xc（−）の活性化は細胞外グルタミン酸放出を増加させる。^[44]

坐骨神経の末梢神経損傷（神経障害性疼痛モデル）は、脊髄後角の_GAD65免疫反応性終末の一時的な喪失を引き起こし、これらの変化が疼痛行動の発達と改善に関与している可能性を示唆している。^[45]

グルタミン酸脱炭酸酵素（GAD）に対する抗体は、運動失調、筋強直・ミオクローヌスを伴う進行性脳脊髄炎（PERM）、大脳辺縁系脳炎、てんかんなど、中枢神経系（CNS）機能障害を示唆する他の症状を有する患者においてますます多く発見されている。^[46]てんかんにおける抗GAD抗体のパターンは、1型糖尿病やスティフパーソン症候群とは異なる。^[47]

GABAの合成以外にも、GADには生物によって異なる追加機能と構造的変異がある。サッカロミセス・セレビシエでは、GADはCa ²⁺調節タンパク質カルモジュリン（CaM）に結合し、酸化ストレスへの反応にも関与している。^[48]同様に、植物のGADもカルモジュリンに結合します。^[49]この相互作用は、C末端の30～50bpのCAM結合ドメイン（CaMBD）で発生し、GABA産生の適切な調節に必要です。^[50]脊椎動物や無脊椎動物とは異なり、植物ではGADによって生成されたGABAは、CaMを介して細胞内Ca ²⁺レベルを制御することで非生物的ストレスのシグナルとして使用されます。CaMに結合するとCa ^{2+チャネルが開き、細胞質内のCa 2+}濃度が上昇し、Ca ^2+が二次メッセンジャーとして機能して下流経路を活性化できるようになります。 GAD が CaM に結合していない場合、CaMBD は自己阻害ドメインとして機能し、ストレスがない場合には GAD を不活性化します。^[50]興味深いことに、イネとリンゴの 2 つの植物種で、Ca2+ /CAM 非依存性 GAD アイソフォームが発見されています。^{[51] [52]}これらのアイソフォームの C 末端には、CaMBD 内の CaM と相互作用するために必要な重要な残基の置換​​が含まれており、タンパク質が GAD に結合するのを防ぎます。イネのアイソフォームの CaMBD は依然として自己阻害ドメインとして機能しますが、^[51]リンゴのアイソフォームの C 末端は機能しません。^[52]最後に、植物 GAD の構造は六量体であり、pH 依存的な活性があり、複数の種で最適 pH は 5.8 です。^{[50] [53]}また、CaM が存在する場合は pH 7.3 でも顕著な活性を示します^[16]

また、グルタミン酸脱炭酸酵素の制御は、柑橘類の収穫後の品質を向上させる可能性があると考えられています。柑橘類の植物では、グルタミン酸脱炭酸酵素がクエン酸代謝に重要な役割を果たしていることが研究で示されています。直接曝露によるグルタミン酸脱炭酸酵素の増加により、植物内のクエン酸レベルが大幅に増加し、それに伴い収穫後の品質維持が大幅に改善され、腐敗率が低下しました。^[54]

植物中のGADと同様に、大腸菌中のGADは六量体構造を持ち、酸性pH下でより活性が高く、大腸菌GADの最適pHは3.8～4.6である。しかし、植物や酵母とは異なり、大腸菌中のGADは機能するためにカルモジュリン結合を必要としない。また、大腸菌では別々の遺伝子によってコードされるGADの2つのアイソフォーム、すなわちGadAとGadBが存在するが^[55]、両方のアイソフォームは生化学的には同一である。^[56]この酵素は酸耐性を付与する上で重要な役割を果たし、細菌が胃のような高酸性環境（pH < 2.5）で一時的に生存することを可能にする。^{[57]これは、GADがグルタミン酸をGABAに脱炭酸することによって行われ、これにはH+が反応物として取り込まれる必要があり、細菌内のpHが上昇する。その後、GABAは}大腸菌細胞から輸出され、近くの細胞外環境のpHの上昇に寄与する。^[16]

• ウィキメディア・コモンズのグルタミン酸脱炭酸酵素に関連するメディア
• 遺伝学、発現プロファイリングが統合失調症における GABA 欠乏を裏付ける - 統合失調症研究フォーラム、2007 年 6 月 25 日。
• PDBe-KBのUniProt : Q99259 (グルタミン酸脱炭酸酵素 1)のPDBで入手可能なすべての構造情報の概要。
• PDBe-KBのUniProt : Q05329 (グルタミン酸脱炭酸酵素 2)のPDBで入手可能なすべての構造情報の概要。