谷氨酸脱氢酶(Glutamate dehydrogenase，GDH) (E.C. 1.4.1.2–1.4.1.4)是一种线粒体酶，普遍存在于动植物和微生物体内^[1-2]，属于氨基酸脱氢酶超家族^[3]，在生物体氮和碳的代谢过程中发挥着关键作用^[4]。一般情况下，该酶以NAD⁺和/或NADP⁺作为辅酶催化L-谷氨酸可逆氧化脱氨，生成ɑ-酮戊二酸，从而参与三羧酸循环(TCA循环)、信号转导、氮和碳代谢的调节及其他生理活动^[5-6]。在能量调节、维持细胞稳态等方面具有重要作用。

1 GDH的分类 1.1 根据寡聚体状态分类

现有研究报道已从多种类型的生物体内分离得到谷氨酸脱氢酶，并对其进行测序。依照寡聚体的状态，谷氨酸脱氢酶可以被分为2种类型：细菌和真菌的NADP (H)特异性谷氨酸脱氢酶以及脊椎动物的NAD (H)/NADP (H)双特异性谷氨酸脱氢酶。这些GDH均以同源六聚体的形式发挥功能，每个亚基的分子量约为48 kDa (细菌)或50 kDa (脊椎动物)；而NAD (H)特异性谷氨酸脱氢酶既存在亚基分子量约为48 kDa的同源六聚体蛋白(例如消化链球菌、共生梭菌)，也存在亚基分子量约为115 kDa的同源四聚体蛋白(例如酿酒酵母、粗糙链孢菌)^[7-8]。

1.2 根据辅酶的特异性分类

谷氨酸脱氢酶在催化L-谷氨酸的氧化脱氨基反应时需要NAD⁺/NADP⁺作为辅酶，根据辅酶特异性不同，谷氨酸脱氢酶可以被分成3类：NAD (H)特异性谷氨酸脱氢酶、NADP (H)特异性谷氨酸脱氢酶以及NAD (H)/NADP (H)双特异性谷氨酸脱氢酶。不同特异性的谷氨酸脱氢酶在功能上存在不同的偏向性，NAD (H)特异性谷氨酸脱氢酶主要参与谷氨酸的分解代谢，NADP (H)特异性谷氨酸脱氢酶通常在氨的合成代谢中发挥作用^[9]。而NAD (H) /NADP (H)双特异性谷氨酸脱氢酶在发挥催化作用时会受到一些小分子(如ATP和GTP)的变构调节作用。ATP能够通过辅助产物的释放加快催化反应的速率，而GTP则会阻止产物的释放从而对催化反应产生抑制作用^[10]。

2 GDH与肿瘤的关系

肿瘤的典型特征是异常的能量代谢和无限增殖。人类肿瘤在癌变期间获得6种生物学能力，包括维持增殖信号、预防生长抑制、抵制细胞死亡、无限复制、促进新血管形成及激活侵袭和转移，这些特征导致了肿瘤疾病的复杂性。除了癌细胞之外，肿瘤还表现出另一方面的复杂性：它们具有征募性，即表面上正常的细胞可以通过创建一个“肿瘤微环境”来帮助其得到标志性特征^[11]。

许多研究表明，虽然谷氨酰胺可以在大多数组织中合成，但其需求量往往超过供应量。谷氨酰胺通常是细胞增殖的必需营养物^[12-13]。越来越多的研究表明，谷氨酰胺代谢在肿瘤生长、增殖和转移中有着重要作用^[14-17]，在许多癌细胞中，谷氨酰胺是主要的线粒体底物，并且生成维持线粒体膜电位和完整性以及支持氧化还原大分子合成所必需的NADPH^[12]。GDH是谷氨酰胺代谢途径中的关键酶之一，所以GDH对于肿瘤细胞也十分重要。人体内存在2种类型的GDH，即GDH1和GDH2，它们具有高度的序列相似性^[18]。GDH1在许多组织或细胞中都有广泛表达；而GDH2则在大脑、睾丸、胚胎组织和各种癌细胞中表达^[19-20]。研究表明，GDH1主要调控癌细胞内ɑ-酮戊二酸的生成，它通过控制细胞内产物α-酮戊二酸和随后的代谢物富马酸盐的水平(富马酸盐结合并激活活性氧物质清除酶谷胱甘肽过氧化物酶1)，为癌细胞增殖和肿瘤生长提供代谢优势。此外，GDH1在维持癌细胞氧化还原稳态中发挥着重要作用^[21]，通过短发夹RNA (shRNA)或小分子抑制剂R162靶向GDH1可以导致细胞中的氧化还原稳态失衡，从而达到阻碍癌细胞增殖和抑制肿瘤生长的目的。GDH2可以诱导增加细胞内谷氨酸的水平，谷氨酸由氨和α-酮戊二酸合成。此外，Yukiko等发现在补充氨的谷氨酰胺消耗条件下，表达GLUD2 (编码GDH2的基因)的PC3和Hs578T细胞的增殖速率增加^[14]。所以可以尝试抑制体内GDH的活性和表达水平来抑制肿瘤增殖和转移。

2.1 GDH与乳腺癌

乳腺癌是全球妇女最常见的癌症之一。除皮肤癌以外，乳腺癌是目前美国妇女中最常见的癌症，约占癌症患者的1/3^[22]。美国每年约有205 000例新增乳腺癌病例被诊断出来，其中约有4万名病人会死于此病^[23]。Jessica等研究发现乳腺癌细胞中GDH的表达量增加，特别是雌激素受体阳性(ER⁺)乳腺癌细胞与其他乳腺癌细胞亚型相比，其中的GDH表达水平上升更为显著。他们在实验中通过利用shRNA抑制细胞中GDH的表达水平，用¹⁵N-谷氨酰胺培养后对细胞进行含氮代谢物扫描，发现人类乳腺癌细胞主要通过GDH催化还原胺来同化氨，从而加速乳腺癌细胞的扩散^[24]。Ryu等通过实验发现在犬类乳腺肿瘤细胞中GDH的表达量也有一定的上升^[23]。因此，特异地抑制乳腺癌细胞中的GDH表达水平及其活性可能具有抑制乳腺癌细胞增殖与扩散的潜力。

2.2 GDH与胶质瘤

胶质瘤(Glioma)是最常见的原发性颅内肿瘤，约占恶性脑肿瘤的81%^[25]。据统计每年约有22 000名美国人被诊断为恶性胶质瘤，也是治疗方案最具挑战性的癌症之一。目前对于这些原发性脑癌的治疗是不充分的，大约95%的患者在确诊后5年内会死于该疾病^[26]。已有研究报道谷氨酸在神经胶质瘤生理活动中具有许多重要的作用，例如，作为多向生长因子、空间兴奋性毒素等^[27]。最近的研究表明，细胞外谷氨酸浓度增加是导致80%的原发性脑肿瘤患者发生肿瘤相关性癫痫的原因^[28]。Yang等通过实验发现胶质瘤细胞在葡萄糖被剥夺条件下带来的糖酵解障碍中需要GDH才能存活^[29]。Chen等发现GDH1和GDH2在人类异柠檬酸脱氢酶1 (Isocitrate dehydrogenase 1，IDH1)突变型胶质瘤IDH1^R132H中的表达量呈现异常升高，他们分别使用sh647和sh662这两种shRNA靶向构建到编码GDH的基因中(即敲低GLUD1和GLUD2)以确定GLUD1和GLUD2是否有助于IDH1^R132H神经胶质瘤的生长。实验结果显示使用sh647后会导致GDH1/2的含量下降；使用sh662后几乎检测不到GDH1/2的量，最后通过实验证明了胶质瘤细胞生长对于GLUD1和GLUD2的依赖性，然后他们使用识别GLUD1和GLUD2的抗体对小鼠神经胶质瘤祖细胞的培养物进行Western blotting实验，发现具有强烈的免疫性，确定GLUD2可以改善突变型IDH1的生长抑制效应^[30]。

2.3 GDH与结直肠癌

结直肠癌(Colorectal carcinoma，CRC)是第三大常见的新型癌症，其死亡率也排在癌症中的第3位^[31]，是死亡率较高的癌症之一。根据相关报道，诊断为局部结直肠癌患者的5年生存率为90%，局部扩散后下降为68%，远距离扩散后急剧下降到10%^[32]。Liu等发现，GDH在结直肠癌细胞中的表达水平比相应的非肿瘤细胞高，GDH过度表达与结直肠癌的迁移能力和肿瘤大小有关，GDH表达水平越高，肿瘤迁移能力越强，肿瘤尺寸越大，当用shRNA抑制编码GDH的基因后，结直肠癌细胞的增殖、迁移能力明显下降^[33]。此外，敲除GDH编码基因后显著减弱了STAT3 (Signal transducer and activator of transcription 3)的磷酸化，减少了Vimentin和ZEB1的表达，同时上调了CRC细胞中E-钙粘着蛋白的表达，他们发现GDH通过STAT3介导的上皮间质转化(EMT)诱导促进CRC细胞运动性，从而对结直肠癌细胞产生调控作用(图 1)。

2.4 GDH与卵巢癌

卵巢癌(Ovarian cancer，OVCA)是全球女性中第八大常见癌症，2014年美国估计有21 980例新发病例和14 270例死亡病例^[34]。由于缺乏特定的症状和充足的筛查试验，患者常常在晚期才被诊断出来，所以卵巢癌在所有妇科恶性肿瘤中最为致命。大多数原发性卵巢恶性肿瘤来源于上皮细胞，约5%的卵巢癌来自其他类型的卵巢细胞^[35]。Yuan等使用雷帕霉素处理3种卵巢癌细胞24 h后，发现雷帕霉素抑制了GDH活性和谷氨酰胺酶(GLS)的表达。此外，他们还发现谷氨酰胺通过调节mTOR/S6和MAPK途径来增加GLS和GDH的活性^[36]。Yang等发现谷氨酰胺调节STAT3的活化，STAT3是调节侵袭性卵巢癌细胞癌症标志的信号通路的介质。其研究结果表明，通过阻断谷氨酰胺进入TCA循环来靶向高侵入性OVCA细胞，以及通过抑制谷氨酰胺和STAT3合成来靶向低侵入性OVCA细胞的联合方法可能会成为OVCAs的潜在治疗方法^[14]。如前所述，GDH是谷氨酰胺代谢途径的关键酶，提高GDH活性可以促进癌细胞的增殖和迁移，用分子靶向干预谷氨酰胺代谢可能被作为一种治疗卵巢癌的有效方式。

2.5 GDH与其他类型的癌症 2.5.1 肝癌

肝细胞癌(Hepatocellular carcinoma，HCC)是全球第五大常见的癌症^[37]。Robert等研究发现，在肝病患者中，肝癌细胞的GDH活性显著低于相邻的正常肝细胞或肝硬化肝细胞中GDH的活性，此外，所有肿瘤细胞的总体GDH活性低于正常和肝硬化肝脏细胞活性的30%^[38]。在肝细胞坏死和线粒体解体后，GDH会逸出细胞进入血液，肝癌患者的血浆GDH升高是最为明显的，因此，测定血清中GDH活性和含量可以用作线粒体损伤和肝细胞病变诊断的指标。

2.5.2 肝外胆管癌

由于早期诊断困难，胆管癌的预后较差，隐性起病和亚临床症状导致存活率低^[39-40]。研究表明，新的辅助化疗结合根治性胆管癌手术提高了患者的长期生存率^[41]。但对于不可切除的肝外胆管癌，化疗和放疗均无明确疗效。迄今为止，还没有充分的证据证明化疗能显著改善外发性胆管癌患者的生存率^[42]。大多数无法切除肿瘤的患者在确诊后12个月内由于恶病质和身体状况不佳而死亡。Su等研究表明，与正常胆管组织相比，肝外胆管癌组织中的GDH表达增加。他们发现沉默GDH后肝外胆管癌细胞的迁移能力显著降低，并且能够显著提高肝外胆管癌细胞的凋亡率^[43]。此外，GDH可能通过Smad信号通路介导的TGF-β信号传导来促进肝外胆管癌细胞的生长和转移。找到一种能有效抑制GDH表达水平或酶活性的方法可能具有抑制和治疗肝外胆管癌的潜力。

2.5.3 肺癌

肺癌是世界上癌症相关死亡的主要原因。肺癌可以概括地分为小细胞肺癌(SCLC)和非小细胞肺癌(NSCLC)，分别占患者人数的15%和85%^[44]。根据英国国家统计局2014年的报告，诊断为小型局限性肿瘤的肺癌患者的1年生存率为81%–85%，而远处转移的肺癌患者1年生存率仅为15%–19%^[44]。在Michalak等的研究中观察到与小细胞肺癌和大细胞癌相比，鳞状细胞肺癌患者的血清GDH活性降低，肺癌患者中的体液免疫反应与降低血清GDH活性有关^[45]。所以通过谷氨酸代谢途径治疗肺癌可能具有一定的应用前景。

3 展望

GDH是谷氨酰胺代谢的关键酶，谷氨酰胺在GDH的作用下转化为ɑ-酮戊二酸进入TCA循环，产生ATP，从而为癌细胞的生长、增殖提供能源支持。随着研究的发展，越来越多的证据表明，GDH与肿瘤细胞的增殖、迁移、入侵等活动密切相关，在许多肿瘤细胞中都存在表达异常上升的现象。GDH在逐渐成为癌症治疗方面具有潜力的作用靶点，有关GDH抑制剂的筛选可能会逐渐成为研究热点。有研究发现，mTOR1 (Mammalian target of rapamycin 1)通过激活GDH促进谷氨酰胺分解从而抑制人去乙酰化酶4 (SIRT4)，进而促进肿瘤发生^[46]；shRNA和小分子抑制剂R162能够有效地抑制GDH，从而抑制肿瘤细胞的增殖、迁移等生理活动。此外，研究发现EGCG (Epigallocatechin gallate)是一种典型的GDH变构抑制剂，能明显抑制GDH的活性，从而有效抑制肿瘤的生长和增殖^[47]。越来越多的研究表明，GDH在作为癌症治疗的新靶点中有着相当的潜力。但是，关于GDH含量变化与肿瘤发生和发展之间的病理关系尚不完全清楚，还需要更进一步的研究。我们推测，正是由于GDH与肿瘤发生的关系十分密切，有关GDH和肿瘤发生的关系研究将会是一个热点，筛选或研制能有效针对肿瘤细胞中GDH活性的药物也将具有巨大的开发和应用前景。