谷氨酸脱羧酶 2

谷氨酸脱羧酶（GAD；L-谷氨酸 1-羧基裂解酶；EC 4.1.1.15 ）可催化从 L-谷氨酸形成 γ-氨基丁酸（GABA），可在具有不同电泳和动力学特征的不同异构体中检测到。该酶还被认为是自身免疫性疾病僵人综合征（SPS；184850）和胰岛素依赖型糖尿病（IDDM；222100）中的自身抗原（Karlsen 等人，1991）。

另见 GAD1（ 605363 ），它对应到染色体 2q31。

▼ 克隆与表达

Karlsen 等人利用 GAD1 的序列信息筛选人胰岛 cDNA 文库（1991）分离出第二个 GAD cDNA（GAD2）。GAD2 在胰岛和大脑中都识别出一个 5.6-kb 的转录本；相比之下，GAD1 仅识别大脑中的 3.7-kb 转录本。推断的由 GAD2 编码的 585 个氨基酸序列与先前发表的高度保守的 GAD1 脑序列的同一性不到 65%，后者在大鼠、小鼠和猫之间显示出超过 96% 的推断氨基酸序列同源性。

卜等人（1992）从人脑 cDNA 文库中分离出对应于 GAD2 基因的 cDNA。推导出的 585 个氨基酸的蛋白质的分子量为 65 kD。该蛋白与大鼠蛋白有 95% 的同一性；人类 GAD65 和 GAD67 蛋白显示出 65% 的同一性。Northern 印迹分析检测到 GAD65 的 5.7-kb mRNA 转录物。

厄兰德等人（1991）确定大脑包含 2 种形式的 GAD，它们在分子大小、氨基酸序列、抗原性、细胞和亚细胞位置以及与 GAD 辅因子磷酸吡哆醛（PLP）的相互作用方面不同。他们报道了大鼠Gad65 cDNA的克隆，并证明了Gad65和Gad67的不同核苷酸序列。这 2 个 cDNA 与不同大小的基因组片段杂交，表明它们由 2 个不同的基因编码。厄兰德等人（1991）表明 Gad65 的酶活性比 Gad67 对 PLP 的反应更大。

▼ 测绘

卡尔森等人（1991）通过原位杂交将 GAD2 基因定位到染色体 10p13-p11.2。

卜等人（1992）通过荧光标记的 GAD 探针与人类染色体的原位杂交，将 GAD2 基因对应到 10p11.23。通过原位杂交，Edelhoff 等人（1993）将 GAD2 基因对应到人类 10p12-p11.2 和小鼠 2A2-B，从而确定了人类和小鼠染色体之间的新保守区域。

▼ 基因功能

克拉姆等人（1991）得出结论，大脑和胰岛 GAD 序列之间存在 45 个核苷酸差异；在翻译水平上，这将导致 7 个氨基酸取代。异构体形式的差异可能解释了僵人综合征和胰岛素依赖型糖尿病在临床上不同的事实。

由 GAD2 基因编码的 GAD65 和由 GAD1 基因编码的 GAD67 都是后来发展为胰岛素依赖型糖尿病（IDDM; 222100 ）的人体内自身抗体的靶标（ Baekkeskov 等人，1990；Kaufman 等人， 1992 年；Richter 等人，1992 年）。GAD65 的一个 24 个氨基酸残基片段与柯萨奇病毒的 P2-C 蛋白具有 10 个相同性和 9 个相似性，柯萨奇病毒的 P2-C 蛋白通常被认为是胰岛素依赖型糖尿病的环境触发剂。因此，IDDM 中的自身免疫可能是由GAD 和病毒多肽之间的“分子模拟”（ Albert 和 Inman，1999 年）引起的。De Aizpurua 等人（1992）证明针对 GAD 的自身抗体存在于大多数被定义为患有临床前 IDDM 的受试者中，并且胰岛和脑 GAD 可能具有交叉反应性。最近发病的 IDDM 受试者中 GAD 抗体的低频率被认为表明免疫反应性随着几乎完全的 β 细胞破坏而丧失，或者 GAD 抗体表明进展为临床疾病的风险较低。

虽然柯萨奇病毒 P2-C 和 GAD65 之间的交叉反应已在小鼠中得到证实，并且通过用全长蛋白免疫小鼠产生对同源肽的免疫反应（Tian 等，1994），但 GAD 之间的交叉反应和柯萨奇病毒 P2-C 在糖尿病患者的 T 细胞或血清抗体的研究中始终未发现。此外，对数据库的搜索确定了 17 种与 GAD65 的各种片段具有一定同源性的病毒（琼斯和阿姆斯特朗，1995 年），表明 GAD65 和柯萨奇病毒之间的交叉反应不是唯一的。

小林等人（2003）使用 7 种 GAD65/67 嵌合体研究了 GAD65 自身抗体（GAD65Ab）在缓慢进展的 1 型（胰岛素依赖性）糖尿病（SPIDDM）和急性发作的 1 型（胰岛素依赖性）糖尿病（AIDDM）中的疾病特异性表位谱分子。所有 SPIDDM 样品中的 GAD65Ab 与位于氨基酸 17 和 51 之间的膜锚定域上的 N 端线性表位和 GAD65 的氨基酸 443 和 585 之间的 C 端构象表位特异性反应。GAD65Ab 与 SPIDDM 中 N 端 83 个残基的结合与不需要胰岛素的时间呈负相关。AIDDM 中的 GAD65Ab 不与该 N 末端表位反应，无论 GAD65Ab 的滴度如何。在发病年龄比其他 AIDDM 患者年轻的患者中，有 17%（46 人中有 8 人）发现了 AIDDM 中 GAD65Ab 的新表位，该表位位于氨基酸 244 至 360 之间。作者得出结论认为，靶向该区域的 GAD65Ab 与 SPIDDM 中缓慢进展的 β 细胞衰竭之间存在关联。

向等人（2007）据报道，气道上皮细胞中存在兴奋性而非抑制性 GABA 能系统。GABA-A 受体和 GABA 合成酶谷氨酸脱羧酶均在肺上皮细胞中表达。GABA-A 受体的激活使这些细胞去极化。当小鼠被致敏然后用卵清蛋白（一种诱导过敏性哮喘反应的方法）攻击时，GAD65/67 在胞质溶胶和气道上皮细胞顶膜中 GABA-A 受体的表达显着增加。同样，哮喘患者气道上皮细胞中的 GAD 和 GABA-A 受体在吸入过敏原后增加。选择性 GABA-A 受体抑制剂的鼻内应用抑制了由卵清蛋白或白细胞介素 13 诱导的杯状细胞增生和粘液的过量产生。147683 ）在小鼠中。向等人（2007）得出结论，气道上皮 GABA 能系统在哮喘中具有重要作用。

芬克等人（2014）使用 Gad2 作为基因入口点来操纵与感觉末梢接触的脊髓 GABA 能中间神经元，并表明这些中间神经元在小鼠体内的激活会引发突触前抑制的定义生理特征。表达 Gad2 的中间神经元的选择性基因消融严重扰乱了目标导向的到达运动，揭示了一种明显的、刻板的前肢运动振荡，其核心特征是通过对高增益感觉反馈的后果进行建模来捕捉的。芬克等人（2014）得出的结论是，他们的发现定义了遗传硬连线增益控制系统的神经基质，该系统对于运动的顺利执行至关重要。

▼ 生化特征

在 1,122 名 2 型糖尿病（T2D；125853）患者中，Tuomi 等人（1999 年）发现 GAD 抗体的发生率为 9.3%，显着高于糖耐量受损患者或对照组的患病率。GADab+ 患者的空腹 C 肽浓度较低，胰岛素对口服葡萄糖的反应较低，高危 HLA-DQB1*0201/0302（见604305）基因型的频率较高（尽管明显低于 1 型糖尿病患者）与 GADab- 患者相比。图米等人（1999）建议将成人潜在自身免疫性糖尿病（LADA）命名为 GADab 阳性（大于 5 个相对单位）和发病年龄大于 35 岁的 2 型糖尿病患者亚组。

罗曼等人（2000）比较了 14 名僵人综合征（ 184850 ）患有中轴疾病的患者和 17 名患有 1 型糖尿病（T1D; 222100 ）患者的T 细胞反应）。与来自 17 名 1 型糖尿病患者的 T 细胞相比，8 名 SMS 患者的外周血 T 细胞识别 GAD65 的不同免疫显性表位。GAD 区域 81-171 和 313-403 在 8 名 SMS 患者中的 6 名中诱导了显性 T 细胞反应，但在 17 名 1 型糖尿病患者中只有 1 名（P = 0.001）。与 10 名 1 型糖尿病患者相比，没有 SMS 患者对 GAD 片段 161-243 和 473-555 有显着反应（P = 0.008）。14 名 SMS 患者中的 11 名（其中 7 名患有糖尿病）和 17 名 1 型糖尿病患者中的 11 名检测到 GAD 抗体；IgG1在两组中均占优势。然而，与糖尿病患者相比，SMS 患者更可能具有 IgG1 以外的同种型，特别是 IgG4 或 IgE 同种型，这在 1 型糖尿病患者中未检测到。罗曼等人（2000）得出的结论是，他们的数据表明 SMS 和 1 型糖尿病患者在对 GAD65 的细胞（表位识别）和体液（同型模式）反应方面存在差异。

德罗斯特等人（2004 年）在一名 Satoyoshi 综合征患者中检测到 GAD 抗体（600705）。

迈尔等人（2005）在来自 3 个不同医疗中心的 635 名严重肥胖的法国高加索儿童中，研究了 GAD2 基因 5 素启动子区域中功能性 -243A-G 多态性对胎儿生长、胰岛素分泌、食物摄入和肥胖风险的潜在影响。病例对照研究证实了 GAD2 单核苷酸多态性（SNP） -243A-G 与肥胖之间的关联（优势比，1.25；P = 0.04）。此外，与 AA 携带者相比，SNP -243 GG 儿童携带者的出生体重低 270 克，出生身高低 1.5 厘米（分别为 P = 0.009 和 P = 0.013）。在 AA 携带儿童中，出生体重与体重指数（BMI）的 Z 值呈线性关系（P = 0.00001），呈二次关系。18% 的 GG 肥胖携带者与 5.7% 的 AA 携带者报告暴食表型（P = 0.04）。

▼ 动物模型

浅田等人（1996）发现 Gad65 -/- 小鼠的脑 GABA 含量或动物行为没有变化，除了癫痫发作的易感性略有增加。卡什等人（1997）指出，与出生时发育异常并在出生后不久死亡的 Gad67-/- 动物相比，Gad65-/- 小鼠在出生时表现正常；然而，他们会发生自发性癫痫发作，导致死亡率增加。癫痫发作是由恐惧或轻微压力引起的。卡什等人（1997）发现回交到第二个遗传背景，即非肥胖糖尿病（NOD/LtJ）小鼠品系的 Gad65-/- 小鼠的癫痫发作易感性显着增加。Gad65-/- 突变显着降低了该回交中通常较高的基础脑 GABA 水平，这表明Kash 等人（1997） Gad65 合成的 GABA 对大脑总 GABA 水平的相对贡献是由基因决定的。数据表明，由 Gad65 合成的 GABA 在神经网络兴奋性的动态调节中很重要，在 NOD/LtJ 菌株中涉及至少 1 个修饰基因座，并将 Gad65-/- 动物作为涉及 GABA 能途径的癫痫模型。

尹等人（1999）制造了表达针对 Gad65 和 Gad67 的反义构建体的转基因小鼠。各种小鼠品系表达不同量的反义GAD。在 2 株反义 GAD 转基因 NOD 小鼠中，β 细胞特异性抑制 GAD 表达可预防自身免疫性糖尿病，而在其他 4 株反义 GAD 转基因 NOD 小鼠中，β 细胞中的持续 GAD 表达导致糖尿病，类似于在转基因中观察到的糖尿病-阴性 NOD 小鼠。β 细胞 GAD 表达的完全抑制阻止了致糖尿病 T 细胞的产生并保护胰岛移植物免受自身免疫损伤。因此，在 NOD 小鼠中，自身免疫性糖尿病的发展需要 β 细胞特异性 GAD 表达，因此 GAD 的调节可能对 1 型糖尿病具有治疗价值。222100 ）。GAD 的表达仅在 β 胰岛细胞中被阻断，而在脑中不被阻断。除了没有针对 GAD 的 T 细胞外，在反义 NOD 小鼠中，对其他 β 胰岛特异性自身抗原（如胰岛素）反应的 T 细胞也较少，但在非转基因对照动物中则不然。在随附的文章中，von Boehmer 和 Sarukhan（1999）提出 GAD 是人类 1 型糖尿病的起始自身抗原，因为 GAD 特异性自身抗体是最先出现在人类患者糖尿病前期的抗体之一。

在大鼠中，Zhang 等人（2011）表明持续性炎症性疼痛与脑干大缝核的表观遗传变化有关，即整体组蛋白高乙酰化。然而，Gad65 的转录通过组蛋白去乙酰化酶（HDAC）介导的组蛋白低乙酰化受到抑制，导致 GABA 突触抑制受损。Gad65 基因敲除小鼠在脑干神经元中表现出敏感的疼痛行为和受损的 GABA 突触功能。在野生型但不是 Gad 敲除小鼠中，HDAC 抑制剂强烈增加 GAD65 活性，恢复 GABA 突触功能，并缓解敏感疼痛行为。这些发现表明 GAD65 和 HDAC 作为表观遗传方法治疗慢性疼痛的潜在治疗靶点。