戊二酰辅酶A脱氢酶；GCDH

HGNC 批准基因符号：GCDH

细胞遗传学定位：19p13.13 基因组坐标（GRCh38）：19:12,891,129-12,899,999（来自 NCBI）

▼ 说明

戊二酰辅酶A脱氢酶（GCDH；EC 1.3.8.6）是一种酰基脱氢酶，参与赖氨酸、羟赖氨酸和色氨酸的代谢。具体而言，它负责 L-赖氨酸、L-羟赖氨酸和 L-色氨酸代谢降解途径中戊二酰辅酶 A 脱氢和脱羧为巴豆酰辅酶 A。活性酶以同四聚体形式存在于线粒体基质中。

▼ 克隆与表达

Lenich和Goodman（1986）从猪和人肝线粒体中纯化出戊二酰辅酶A脱氢酶蛋白。Goodman et al.（1992）和Goodman et al.（1995）克隆并测序了人类GCDH cDNA。Goodman et al.（1995）发现该cDNA编码一个438个氨基酸的前体蛋白和一个394个氨基酸的成熟蛋白，分子量为43.3 kD。该蛋白质与其猪同源物具有 92% 的序列同一性。外显子 10 和 11 之间的选择性剪接产生 2 个 GCDH mRNA 转录物，其中只有 1 个具有酶活性。前体蛋白通过线粒体加工肽酶进行 1 步裂解，形成成熟的 GCDH 子单元。

Koeller等人（1995）表明，小鼠Gcdh cDNA编码一个由438个氨基酸组成的预测蛋白，该蛋白相对于猪和人类序列高度保守。

▼ 基因结构

Biery et al.（1996）确定GCDH基因包含11个外显子，跨度约为7 kb。Schwartz等人（1998）报道了GCDH基因内含子1-3和6-9的序列，以及内含子4、5和10的部分序列。

Koeller et al.（1995）确定小鼠基因包含11个外显子，跨度约7 kb的基因组DNA。

▼ 测绘

Greenberg等（1994）通过原位杂交和体细胞杂交分析，将GCDH基因定位到染色体19p13.2。

Koeller等人（1995）利用种间回交作图，将小鼠基因定位到染色体8，该区域与人类染色体19具有同源性。

▼ 分子遗传学

纳瓦霍儿童 I 型戊二酸血症（GA1；231670），Biery and Goodman（1992）和Goodman et al.（1995）鉴定了GCDH基因（608801.0001）突变的纯合性。

Biery等人（1996）在64名无血缘关系的I型戊二酸血症患者中，在GCDH基因的7个外显子中鉴定出12个突变和几个多态性（参见例如608801.0007-608801.0009）。在不止一名患者中发现了多种突变，但在一般人群中没有检测到一种普遍突变。然而，在宾夕法尼亚州兰开斯特县的旧教派阿米什人中发现了一个单一突变导致戊二酸血症（A421V；608801.0002）。Biery et al.（1996）在大肠杆菌中表达了几种突变；所有这些都产生了酶活性的降低。

在我在以色列诊断的8个患有戊二酸血症的家庭中，其中6个是穆斯林血统，2个是非德系犹太人背景，Anikster等人（1996）在GCDH基因中发现了7个突变（参见例如608801.0003）。这些发现并未揭示 GA I 家族临床变异的分子基础。Anikster等人（1996）指出，在一个小地理区域内出现多个新等位基因的原因是它们最近起源于具有高血缘率的孤立社区。在本研究纳入的 5 个家庭中，在指示病例中诊断出 GA I 后，又发现了另一名受影响的同胞，该同胞要么无症状，要么患有较轻的疾病，要么被误诊为非代谢性疾病。

Schwartz等人（1998）报道了在总共20名I型戊二酸血症患者中发现的GCDH基因中的21种不同突变。这些突变占该人群中40个突变等位基因中的38个。

Goodman等人（1998）回顾了GCDH基因中的63种突变，这些突变已被多个实验室鉴定为导致戊二酸血症I的原因，其中30种突变为首次。他们还报告了大肠杆菌中的表达数据以及与临床和生化表型的关系。没有发现常见的 GCDH 突变，并且基因型和临床表型之间几乎没有任何关系可以识别。这些突变广泛分布在整个基因中，其中数量最多的是外显子 10。

Zschocke等（2000）报道了一种检测GCDH基因突变的变性梯度凝胶电泳（DGGE）方法。使用这种方法，他们在 48 名确诊 GCDH 缺陷的个体中发现了两个等位基因的突变。在临床怀疑 GCDH 缺乏但酶水平正常的个体中没有发现突变。他们总共鉴定出了 38 种不同的突变；27 种突变是在单个患者中发现的，其中 21 种突变是之前未报告的。十四个突变涉及 CpG 位点。R402W（608801.0004）是欧洲人中最常见的突变，占德国血统患者等位基因的40%。Zschocke 等人（2000）得出的结论是，在酶分析不可用或不可行的情况下，该方法的高灵敏度允许快速且经济高效地诊断 I 型戊二酸尿症。

Busquets 等人（2000）在 43 名西班牙 GA I 患者中鉴定出 13 种新的和 10 种已知的 GCDH 突变，代表 2 个遗传和生化上不同的群体。A293T（608801.0007）和R402W（608801.0004）突变在23例具有典型生化表现的患者中常见（分别为30%和28%），而突变V400M（608801.0008）和R227P（608801.0009）（组合频率为53%）仅被发现17 名患者的戊二酸正常，尿液有机酸分析显示 3-羟基戊二酸轻度升高。临床表型的严重程度似乎与脑病危象相关，但与残留酶活性或基因型无关。

Keyser et al.（2008）通过对转染的幼仓鼠肾细胞进行GCDH活性测定，发现GCDH突变体R138G、R402W（608801.0004）和E414K的表达导致酶活性完全缺失。M264V突变体具有10%的残余活性，Western印迹和脉冲追踪分析表明M263V突变体蛋白发生快速线粒体内降解。M263V 和 R402W 突变体显示出同源四聚体组装缺陷。突变体 GCDH 的分子模型表明，arg138 和 glu414 均位于活性位点的底部，是配体正确排列所必需的，并且蛋白质表面上的 met263 残基可能是相互作用蛋白质的接触界面的一部分。

Gurbuz et al.（2020）通过对来自 39 个无关家族的 53 名土耳其 GA1 患者的 GCDH 基因进行直接测序，发现了 46 名患者的突变，其中 40 名患者存在纯合突变。约85%的患者来自近亲家庭。鉴定出 20 种不同的突变，其中 7 种是新的，包括 17 种错义、2 种缺失和 1 种无义。最常见的突变为R402W（608801.0004）、P248L和L340F，频率分别为21.2%、18.2%和12.1%。

Leandro等人（2020）利用CRISPR编辑技术，在HEK293细胞中开发了GCDH和DHTKD1（614984）的单敲除和双敲除。与GCDH敲除细胞相比，GCDH/DHTKD1双敲除细胞的戊二酰肉碱减少了2倍，但这一水平仍显着高于野生型细胞。Leandro等人（2020）随后发现GCDH/DHTKD1双敲除细胞中剩余的戊二酰肉碱是通过氧化戊二酸脱氢酶（OGDH；613022），OGDH/GCDH/DHTKD1的三重敲除细胞的戊二酰肉碱水平与野生型细胞相当。DHTKD1 与 OGDH、二氢硫辛酰琥珀酰转移酶和二氢硫辛酰胺脱氢酶在物理和功能上相互作用，形成混合的 2-氧代戊二酸和 2-氧代己二酸脱氢酶复合物。Leandro et al.（2020）得出结论，DHTKD1 和 OGDH 之间的这种关系限制了 DHTKD1 用于治疗 GA1 的治疗潜力。

▼ 动物模型

Koeller et al.（2002）通过定向删除胚胎干细胞中的GCDH基因，生成了GA I的小鼠模型。Gcdh -/- 小鼠的生化表型与 GA I 患者非常相似，包括戊二酸和 3-OH 戊二酸的升高程度相当。受影响的小鼠有轻微的运动缺陷，但没有出现患者中所见的进行性肌张力障碍。病理学上，Gcdh -/- 小鼠具有与 GA I 患者相似的弥漫性海绵状髓鞘病，但没有证据表明纹状体有神经元丢失或星形胶质细胞增生。让 Gcdh -/- 小鼠承受代谢应激并没有产生任何神经系统效应。Koeller et al.（2002）推测，与 Gcdh -/- 小鼠相比，GA I 患者的神经表型和纹状体病理学缺乏相似性，可能是由于小鼠和男性纹状体之间的内在差异所致。

Zinnanti et al.（2006）通过给 Gcdh-null 小鼠增加饮食蛋白质和赖氨酸，开发了饮食诱导的 GA I 小鼠模型。高蛋白饮食分别会在 2 至 3 天内和 7 至 8 天内对 4 周龄和 8 周龄的 Gcdh 缺失小鼠致死。单独使用高赖氨酸会导致纹状体内血管性水肿和血脑屏障破坏，与血清和组织 GA 积累、神经元丢失、出血、瘫痪、癫痫发作和死亡有关，75% 的 4 周龄 Gcdh -/- 小鼠在注射后3至12天。相比之下，大多数 8 周大的 Gcdh -/- 小鼠在摄入高赖氨酸后能够存活，但在 6 周后出现白质病变、反应性星形胶质细胞和神经元损失。Zinnanti et al.（2006）得出结论，暴露于高蛋白或赖氨酸的Gcdh -/- 小鼠是人类GA I的模型，包括发育依赖性纹状体脆弱性。

Zinnanti et al.（2007）证明Gcdh表达仅限于正常老鼠大脑的神经元。Gcdh 缺陷小鼠表现出对脑病的年龄依赖性易感性，断奶小鼠在接触膳食蛋白质后比成年小鼠表现出更多的神经元损伤。病理变化包括空泡神经元和树突状突起，线粒体增大和神经丝紊乱。与杂合对照相比，断奶的 Gcdh 缺陷小鼠表现出更高的脑赖氨酸和戊二酸积累，而成年 Gcdh 缺陷小鼠的这些水平没有增加，这与随着成熟而大脑赖氨酸摄取的减少一致。断奶后 Gcdh 缺陷小鼠的脑赖氨酸和戊二酸增加与脑损伤、脑病和症状相关。生化变化引起线粒体肿胀和功能破坏。通过限制脑赖氨酸摄取和减少脑赖氨酸分解代谢进行治疗可提高生存率并减少脑损伤。谷氨酸和 GABA 的消耗与脑中戊二酸的积累相关，并且可以通过质子核磁共振（NMR）波谱作为诊断标记在体内进行监测。研究结果表明，GA I 的年龄依赖性脑损伤涉及神经元区室中赖氨酸产生戊二酸导致的线粒体破坏。

Gonzalez Melo等人（2021）开发了GA I的大鼠敲入模型，其Gcdh基因外显子12中的R411W突变是纯合的，该突变对应于人类GCDH基因中的R402W（608801.0004）突变。在正常饮食的情况下，突变小鼠没有表现出脑病危象的迹象。然而，当突变大鼠被喂食高（5%）赖氨酸饮食时，它们表现出嗜睡、僵硬、不平衡和痉挛。喂食高赖氨酸饮食的突变大鼠的食物摄入量也显着减少，导致体重和体重指数下降。他们证明血浆铵增加，血浆尿素减少，尿精氨酸增加，表明尿素循环功能障碍。还发现高赖氨酸饮食的突变大鼠血浆、尿液和纹状体中哌可酸含量增加，表明赖氨酸降解的替代机制上调。对喂食高赖氨酸饮食的 6 周大突变大鼠的脑组织进行检查，结果显示小胶质细胞活化、星形胶质细胞增生和空泡形成增加。这些小鼠的纹状体组织和尿液中游离肉碱含量较低，但血浆或脑脊液中游离肉碱含量较低，表明细胞内肉碱耗尽。

Gonzalez Melo 等人（2021）评估了敲入 R411W 大鼠模型的肾脏表型。在喂食高赖氨酸饮食的 6 周龄敲入小鼠中，肾小球滤过率下降和电解质偏移与肾小管病一致，包括低钙血症、低钾血症、低磷血症、低碳酸氢血症和高氯血症。Gonzalez Melo 等人（2021）也观察到正常饮食喂养的 12 个月大敲入小鼠的肾小球滤过率下降。对喂食高赖氨酸饮食的 6 周大敲入小鼠的肾脏进行显微镜检查显示，近端肾小管中线粒体、亲脂性空泡和顶端刷状缘膜的数量增加。此外，对喂食高赖氨酸饮食的 6 周大敲入小鼠肾脏进行的酶学研究表明，呼吸链复合物 I、III 和 V 的活性降低。对敲入小鼠肾脏的蛋白质组学研究表明，与线粒体功能相关的 127 种蛋白质存在失调。Gonzalez Melo 等人（2021）得出结论，GA I 会导致急性和慢性肾脏损害。

▼ 等位基因变异体（9个精选例子）：

.0001 戊二酸血症 I

GCDH、TYR295HIS

戊二酸血症I（GA1；Biery 和 Goodman（1992）的父母可能是近亲结婚的（231670），证明了 GCDH 基因中 T 到 C 转变的纯合性，导致 tyr195 到 his 的取代。Goodman等人（1995）报告了对该患者的进一步研究，发现该突变实际上是tyr295到his的取代，而不是TYR195HIS。并修正了突变的身份，为tyr295-to-his（Y295H）而不是TYR195HIS。该患者是一名纳瓦霍儿童，4 个月大时开始出现舞蹈病症状，其成纤维细胞几乎完全缺乏 GCDH 活性。该孩子在其序列的第 919 个核苷酸处的 T 到 C 转变似乎是纯合的。在对照受试者或 50 多名其他 GA I 患者中未发现该突变。在大肠杆菌中的表达研究表明，突变型 Y295H GCDH 蛋白稳定但无活性。针对中链酰基辅酶A脱氢酶（607008）晶体结构的同源建模表明，Y295可能位于戊二酰辅酶A辅酶A部分的腺嘌呤环附近，并干扰底物结合。

.0002 戊二酸血症 I

GCDH、ALA421VAL

Biery等（1996）在宾夕法尼亚州兰开斯特县的旧秩序阿米什人中发现I型戊二酸血症（GA1；231670）在所有情况下都是由GCDH基因中1298C-T转变的纯合性引起的，导致ala421到val（A421V）氨基酸取代。Biery等（1996）在4例患有I型戊二酸血症的非阿米什人患者中发现了GCDH基因突变的复合杂合性，其中1个等位基因是A421V“阿米什”基因；所有这些患者都有中欧血统。大肠杆菌中 A421V 突变的表达研究显示酶活性降低，作者认为这是由于酶子单元的关联受损。

Strauss et al.（2007）将阿米什突变称为1296C-T。

.0003 戊二酸血症 I

GCDH、THR416ILE

在研究以色列的阿拉伯和非德系犹太人戊二酸血症 I（GA1; 231670），Anikster et al.（1996）鉴定出一个家族，其中至少有 3 个同胞在 GCDH 基因的密码子 416 中从 ACA 到 ATA 的转变是纯合的，产生了 thr416 到 ile（T416I）氨基酸代换。值得注意的是，3 个纯合同胞中有 1 个无症状，无症状的父亲也是相同突变的纯合子。母亲是 T416I 突变的杂合子。

.0004 戊二酸血症 I

GCDH、ARG402TRP

一项针对 48 名欧洲戊二酸血症 I（GA1; 231670），Zschocke et al.（2000）发现最常见的GCDH突变是1204C-T变化，导致arg402-to-trp（R402W）取代；德国血统患者的 36 个等位基因中有 14 个（40%）存在该基因。

.0005 戊二酸血症 I

GCDH、GLU365LYS

Kolker et al.（2001）描述了一名戊二酸尿症I型（GA1；231670），GCDH 基因中 glu365-to-lys（E365K）取代是纯合子，Zschocke 等人（2000）先前描述了这种突变。已知这种突变会导致大约 1% 的残留酶活性，导致血浆和尿液中 3-羟基戊二酸和戊二酸含量升高。

.0006 戊二酸血症 I

GCDH、IVS1、GT、+5

10例戊二酸血症I型（GA1；Greenberg 等人（1995）从马尼托巴省北部和安大略省西北部的近交原住民群体中鉴定出 GCDH 基因 IVS1 +5 位点 G 至 T 颠换的纯合性（231670）。

.0007 戊二酸血症 I

GCDH、ALA293THR

戊二酸血症I（GA1；231670），Biery et al.（1996）鉴定了GCDH基因中913G-A转变的纯合性，导致ala293到thr（A293T）的取代。

.0008 戊二酸血症 I

GCDH、VAL400MET

戊二酸血症I（GA1；231670），Biery et al.（1996）鉴定了GCDH基因中1234G-A转变的纯合性，导致val400到met（V400M）的取代。

Marti-Masso 等人（2012）报道了 2 名成年西班牙姐妹在婴儿期发病，患有严重进行性肌张力障碍，影响上肢、下肢、面部、颈部和躯干，导致严重的言语障碍和无法行走到了青少年时期。两人均未在儿童时期患有巨头畸形、器官肿大、认知障碍或急性脑病。全外显子组序列分析发现了纯合 V400M 突变，与戊二酸血症一致。实验室研究显示长链酰基肉碱减少，3-羟基戊二酸排泄增多，但尿戊二酸排泄正常。脑成像显示晶状体核中的信号增加。研究结果表明线粒体脂肪酸代谢是肌张力障碍发生的重要途径，Marti-Masso 等人（2012）得出结论，在早发性全身性肌张力障碍的进行性鉴别诊断中应考虑GCDH突变分析。

.0009 戊二酸血症 I

GCDH、ARG227PRO

戊二酸血症I（GA1；231670），Biery 等人（1996）鉴定出 GCDH 基因中 716G-C 颠换的纯合性，导致 arg227-to-pro（R227P）取代。