谷氨酸-氨连接酶

谷氨酰胺是一种主要的能量来源，参与细胞增殖、细胞凋亡抑制和细胞信号传导（Haberle 等人，2005 年）。胎儿对谷氨酰胺的需求量非常高，很大程度上取决于活性谷氨酰胺合成和胎盘将谷氨酰胺释放到胎儿循环中。谷氨酰胺合成酶（ EC 6.3.1.2 ），也称为谷氨酸-氨连接酶（GLUL），在全身表达，在控制身体 pH 值和从循环中去除氨方面发挥重要作用。该酶从神经元突触中清除 L-谷氨酸，这是中枢神经系统中的主要神经递质（参见Clancy 等人，1996 年的参考文献）。

▼ 克隆与表达

吉布斯等人（1987）报道了谷氨酰胺合成酶的完整 1,119-bp 编码序列，这是他们从肝脏衍生的 cDNA 中确定的。

哈伯勒等人（2005）发现谷氨酰胺合成酶 mRNA 由 1,122 个碱基对组成，编码一个 374 个氨基酸的蛋白质，估计分子量为 42 kD。

▼ 基因结构

哈伯勒等人（2005）确定 GLUL 基因由 6 个外显子组成。

▼ 基因功能

佩索等人（1991）提出谷氨酰胺合成酶是一个很好的分子钟，用于确定分歧时间，甚至与真核生物和原核生物之间发生的分歧一样大。Pesole 等人得出的一个结论（1991）是细胞器特异性酶，如线粒体酶，可能起源于核基因的复制。内共生假说表明在原始真核细胞的进化过程中发生了原核基因向细胞核的转移。在某些情况下，旧的原核基因可能无法在新的核基因组环境中发挥作用，并且完全丧失了，因为它在细胞器中的功能可以免除。随后，一种新的细胞器特异性酶可能起源于服务于特殊的代谢功能。线粒体中谷氨酰胺合成酶的存在与物种的氮代谢有关，特别是与谷氨酰胺作为氨源的需要和氨解毒的特定生化途径有关。

Gunnersen 和 Haley（1992）发现阿尔茨海默病（AD； 104300 ）患者脑脊液中存在的 42-kD ATP 结合蛋白是谷氨酰胺合成酶。它在 39 个 AD CSF 样本中的 38 个和 44 个对照样本中的 1 个中被检测到。在大脑中，谷氨酰胺合成酶在消除游离氨中起关键作用，还将神经递质和兴奋毒性氨基酸谷氨酸转化为无神经毒性的谷氨酰胺。

在小鼠中，Eelen 等人（2018 年）证明，内皮细胞中 Glul 的基因缺失会损害血管发育过程中的血管发芽，而谷氨酰胺合成酶的药理学阻断可抑制眼部和炎症性皮肤病中的血管生成，而对健康成人静止内皮细胞的影响很小。这依赖于抑制内皮细胞迁移而不是增殖。从机械上讲，Eelen 等人（2018）表明，在人脐静脉内皮细胞中，GLUL 敲低可减少 GTPase RHOJ（ 607653 ）的膜定位和激活，同时激活其他 Rho GTPases 和 Rho 激酶（参见 ROCK1, 601702），从而诱导肌节蛋白应力纤维并阻碍内皮细胞运动。Rho 激酶的抑制挽救了由 GLUL 敲低引起的内皮细胞迁移缺陷。值得注意的是，谷氨酰胺合成酶棕榈酰化自身并与 RHOJ 相互作用以维持 RHOJ 棕榈酰化、膜定位和活化。埃伦等人（2018）得出结论，除了已知的谷氨酰胺形成外，谷氨酰胺合成酶通过 RHOJ 棕榈酰化在病理性血管生成过程中显示出内皮细胞迁移活性。

▼ 测绘

克兰西等人（1996）通过对人类/啮齿动物体细胞杂交组的 PCR 分析，将 GLUL 基因定位到染色体 1。他们还将一个假基因定位到9号染色体。功能基因进一步定位到1q23是通过荧光原位杂交完成的。通过对 Whitehead Institute 1 号染色体重叠群图谱的分析，谷氨酰胺合成酶基因被定位到多态性 PCR 标记 D1S117 和 D1S466 之间的 5 个 CEPH mega-YAC。通过荧光原位杂交，Helou 等人（1997）将 GLUL 基因置于 1q31。

王等人（1996）用 GLUL 探针筛选了一个细菌人工染色体（BAC）文库，并分离了 18 个克隆。人类基因组 DNA 的 Southern 印迹显示所有条带都可以由 5 个基因座解释，这表明人类有一个由 5 个谷氨酰胺合成酶基因组成的家族。王等人（1996）使用荧光原位杂交将 GLUL 基因对应到染色体 1q25，并将 GLUL 处理的假基因（GLULP）对应到染色体 9p13。还命名并绘制了三个相关基因：GLULL1 到 5q33、GLULL2 到 11p15 和 GLULL3 到 11q24。由于 3 个相关基因的体积较小，Wang 等人（1996）认为它们可能是无内含子的假基因。

▼ 分子遗传学

哈伯勒等人（2005）描述了 2 名患有先天性谷氨酰胺合成酶缺乏症（ 610015 ）的无关新生儿，他们患有严重的脑畸形，导致多器官衰竭和新生儿死亡。他们的血清、尿液和脑脊液中基本没有谷氨酰胺。每个婴儿的谷氨酰胺合成酶基因 R324C（ 138290.0001 ）和 R341C（ 138290.0002 ）都有纯合突变。使用表达 R324C 谷氨酰胺合成酶的永生化淋巴细胞和表达 R341C 谷氨酰胺合成酶的 COS-7 细胞的研究表明，这些突变与谷氨酰胺合成酶活性降低有关。

科尔克等人（2006）表明Haberle 等人描述的神经元谷氨酸储存的慢性消耗（2005）是谷氨酰胺-谷氨酸循环缺陷的结果。哈伯勒等人（2006）回应说，由于使用色谱法确定脑脊液中的低谷氨酸浓度，其灵敏度不足以准确定义极低范围内的谷氨酸浓度，因此不可能包括脑脊液中谷氨酸的缺乏。作为谷氨酰胺合成酶缺乏的特征之一。

Rose 和 Jalan（2006）提出抑制大脑中谷氨酰胺合成酶可能导致大脑中氨和细胞外谷氨酸水平升高的可能性，部分解释了Haberle 等人的临床观察（2005 年）。哈伯勒等人（2006）指出，在疾病过程中，血浆氨水平正常，因此不能将高氨血症视为谷氨酰胺合成酶缺乏的征兆。高氨血症也不能解释大脑的严重畸形和脑外表现。

在一个患有先天性谷氨酰胺缺乏症的苏丹男孩中，Haberle 等人（2011）鉴定了 GLUL 基因（R324S; 138290.0003 ）中的纯合突变。患者 3 岁时还活着，但患有严重的癫痫性脑病和严重的精神运动迟缓。

▼ 等位基因变体（ 3 精选示例）：

.0001 谷氨酰胺缺乏症，先天性
格鲁尔，ARG324CYS
在患有先天性谷氨酰胺缺乏症的婴儿（610015）中，土耳其近亲父母的后代， Haberle等人（2005）发现在 GLUL 基因的核苷酸 970 处发生纯合 C 到 T 转换，导致谷氨酰胺合成酶中的 arg324 到 cys（R324C）取代。患者在出生时被复苏，发现神经受损，有明显的软弱无力和心功能不全。他在 2 天大时死亡。尸检时，大脑仅重 202 克（预计胎龄为 335 克），但没有明显的内脏畸形。该密码子的另一个突变（R324S；138290.0003）在一名患有该疾病的苏丹患者中发现。

.0002 谷氨酰胺缺乏症，先天性
格鲁尔，ARG341CYS
在患有先天性谷氨酰胺缺乏症的婴儿（610015）中，土耳其近亲父母的女儿， Haberle等人（2005）发现在 GLUL 基因的核苷酸 1021 处的 C 到 T 转换的纯合性导致谷氨酰胺合成酶中的 arg341 到 cys（R341C）突变。在生命的第一天，抽搐和呼吸衰竭需要插管和通气。在出生后的最初几周，尽管肠内喂养，婴儿仍有大量淡黄色粪便和进行性体重减轻。2 周后，出现全身性水疱性红斑皮疹，组织学检查支持表皮坏死松解症的诊断。脑 MRI 显示脑回和室管膜下囊肿明显减弱。她在生命的第四周死于多器官衰竭。患者死后唯一可用的材料是她的 DNA，因为她的皮肤成纤维细胞未能生长。

.0003 谷氨酰胺缺乏症，先天性
GLUL，ARG324SER
Haberle 等人对一个由近亲出生的苏丹男孩患有先天性谷氨酰胺缺乏症（ 610015 ）（2011）鉴定了 GLUL 基因中的纯合突变，导致活性 ATP 结合位点的保守残基发生 arg324 到 ser（R324S）取代。该突变导致患者成纤维细胞中 GLUL 蛋白表达上调，但表达增加无法弥补突变酶的功能缺陷。该密码子的另一个突变（R324C；138290.0001）在一名患有该疾病的土耳其患者身上发现。Haberle 等人报道的患者（2011） 3 岁时还活着，但患有严重的癫痫性脑病和严重的精神运动迟缓。