Glud1-KO 基因敲除小鼠

GLUD1，全称为Glutamate Dehydrogenase 1，是谷氨酸脱氢酶1，一种在谷氨酰胺代谢中发挥关键作用的酶。谷氨酰胺是一种重要的氨基酸，它在细胞代谢中发挥着多种作用，包括作为氮源、能量来源和调节细胞内pH值。GLUD1在许多生物过程中发挥作用，包括细胞分化、发育、代谢和疾病发生。

GLUD1在神经系统中的功能特别有趣。研究显示，GLUD1在突触传递中发挥重要作用，影响神经元的兴奋性和抑制性。GLUD1是一种离子型谷氨酸受体家族成员，存在于兴奋性和抑制性突触中。研究表明，GLUD1能够与γ-氨基丁酸（GABA）结合，这是一种已知的抑制性神经递质。GLUD1激活可以产生长持久的GABA能突触电流增强，这种增强是通过非离子型机制实现的，依赖于突触间锚定。这一发现挑战了传统的谷氨酸能和GABA能受体之间的二元对立[1]。

GLUD1的基因缺失小鼠表现出恐惧记忆受损、社交互动减少和抑郁样行为增强。这些行为学分析表明，GLUD1在恐惧记忆、社交性和抑郁样行为中发挥着重要作用。药理学研究表明，GLUD1基因缺失小鼠的抑郁样行为可以通过5-羟色胺再摄取抑制剂恢复，这表明GLUD1可能参与了5-羟色胺系统的调节[2]。

GLUD1是一种信号转导装置，伪装成离子型受体。GLUD1和GLUD2表现出突触后离子型谷氨酸受体的分子结构，但通过结合分泌的共济蛋白形成突触间粘附复合物，进而与突触前神经素相互作用。研究发现，前突触神经素-共济蛋白复合物与后突触GLUD1的结合控制着谷氨酸受体活性，而不影响突触数量。特别是，神经素-1-共济蛋白-2和神经素-3-共济蛋白-2复合物通过激活不同的后突触GLUD1效应信号来差异调节NMDA受体和AMPA受体的水平。因此，GLUD1是一种信号分子，通过一种意想不到的转导机制调节NMDA和AMPA受体，这种机制绕过了其离子型受体结构，直接将细胞外神经素-共济蛋白信号转化为后突触受体反应[3]。

GLUD1通过控制线粒体谷氨酸水平来决定小鼠肌肉干细胞命运。研究发现，谷氨酰胺合酶进入三羧酸循环在肌肉干细胞分化过程中减少，这与线粒体谷氨酸脱氢酶GLUD1的表达降低相一致。在增殖的肌肉干细胞中删除Glud1导致过早分化和融合，以及体外和体内的自我更新丧失。机制研究表明，删除Glud1导致线粒体谷氨酸积累并抑制苹果酸-天冬氨酸穿梭（MAS）。由此产生的将NADH还原当量输送到线粒体的缺陷导致细胞区室特异性NAD+/NADH比率变化。MAS活性恢复或直接改变NAD+/NADH比率可以正常化肌生成。因此，GLUD1通过防止增殖的肌肉干细胞中线粒体谷氨酸积累和MAS的失活来作为肌分化的区室特异性代谢制动器[4]。

GLUD1突变与高胰岛素血症-高氨血症综合征（HIHA）相关。HIHA是先天性高胰岛素血症的第二常见原因，由GLUD1的激活性杂合错义突变引起。研究发现，GLUD1突变在大多数HIHA病例中是新生突变。通过对两名具有HIHA临床特征儿童的周围血DNA进行下一代测序（NGS），发现GLUD1的嵌合突变。此外，NGS还显示，一名女性在婴儿期有HI病史，其孩子由于假定的新生GLUD1突变而患有HIHA。这些结果表明，在HI患者中，已知HI基因的低水平嵌合突变可能是周围血DNA阴性遗传检测的潜在分子机制[5]。

GLUD1通过抑制PI3K/Akt/mTOR途径抑制肾肿瘤的发生和发展。研究发现，GLUD1水平在透明细胞肾细胞癌（ccRCC）组织中下调。GLUD1水平随着ccRCC阶段和等级的进展而逐渐降低。GLUD1水平较低与ccRCC患者的生存期较短和酪氨酸激酶抑制剂（TKIs）的IC50值较高相关。GLUD1过表达抑制了RCC细胞的增殖、集落形成和迁移，通过抑制PI3K/Akt/mTOR途径的激活。GLUD1水平较低与ccRCC中的抑制性免疫微环境（TIME）相关。这些结果表明，GLUD1在ccRCC中具有新的肿瘤抑制功能，并抑制PI3K/Akt/mTOR激活和TIME的机制。这些结果为GLUD1作为ccRCC的潜在治疗靶点和预后标志物提供了理论基础[6]。

GLUD1通过ROS介导的p38/JNK MAPK途径激活和线粒体凋亡抑制肝细胞癌（HCC）的进展。研究发现，GLUD1在HCC患者的肿瘤组织中下调。GLUD1过表达显著抑制了HCC细胞的增殖、迁移、侵袭和肿瘤生长，而GLUD1敲低促进了HCC的进展。GLUD1过表达细胞的代谢组学研究表明，129种差异表达的代谢物被鉴定，主要包括氨基酸、碱基和磷脂。GLUD1过表达增强线粒体呼吸活性和活性氧（ROS）的产生。过量的ROS导致线粒体凋亡，表现为p53、细胞色素C、Bax、Caspase 3的表达水平升高，Bcl-2的表达水平降低。GLUD1过表达细胞中p38/JNK MAPK途径被激活。N-乙酰半胱氨酸（NAC）处理消除了细胞内的ROS并阻断了GLUD1过表达引起的细胞凋亡。这些发现表明，GLUD1通过调节细胞代谢和氧化应激状态抑制HCC的进展，并提供了ROS产生和p38/JNK MAPK途径激活作为HCC治疗的潜在方法[7]。

巨噬细胞来源的谷氨酰胺促进卫星细胞和肌肉再生。研究发现，肌肉损伤和衰老以组织内谷氨酰胺限制为特征。低水平的谷氨酰胺赋予巨噬细胞通过增强谷氨酰胺合成酶（GS）活性分泌谷氨酰胺的代谢能力，以牺牲GLUD1介导的谷氨酰胺氧化为代价。GLUD1敲除巨噬细胞表现出持续高GS活性，这可以防止谷氨酰胺缺乏。巨噬细胞衍生的谷氨酰胺通过SLC1A5谷氨酰胺转运蛋白被卫星细胞摄取，激活mTOR并促进卫星细胞的增殖和分化。因此，GLUD1的巨噬细胞特异性删除或药理学抑制改善了急性损伤、缺血或衰老对肌肉再生的反应和功能恢复。相反，卫星细胞中SLC1A5的阻断或巨噬细胞中GS的失活会负面影响卫星细胞功能，从而影响肌肉再生。这些结果表明，卫星细胞和巨噬细胞之间存在代谢串扰，其中巨噬细胞衍生的谷氨酰胺维持卫星细胞的功能。因此，GLUD1的靶向可能为受伤或衰老肌肉的再生提供治疗机会[8]。

GLUD1在肺腺癌中的稳定性受STUB1介导的泛素化调节。研究发现，GLUD1在肺腺癌细胞或组织中表现出高蛋白表达。STIP1同源性和U盒蛋白1（STUB1）是负责GLUD1的泛素化介导的蛋白酶体降解的关键E3连接酶。K503是GLUD1的主要泛素化位点，抑制该位点的泛素化促进了肺腺癌细胞的增殖和肿瘤生长。这些研究结果阐明了GLUD1在维持肺腺癌中蛋白质稳态的分子机制，为开发针对GLUD1的抗肿瘤药物提供了理论基础[9]。

SIRT5调节氨诱导的自噬和线粒体自噬。研究发现，氨的产生在SIRT5沉默细胞中增加，在SIRT5过表达细胞中减少。SIRT5通过控制谷氨酰胺代谢来调节氨的产生。在SIRT5沉默细胞和用SIRT5特异性抑制剂MC3482处理的WT细胞中，自噬和线粒体自噬增加，而在SIRT5过表达细胞中减少。此外，谷氨酰胺酶抑制或谷氨酰胺撤除完全阻止了自噬。因此，SIRT5在非肝细胞中的作用是调节氨的产生，通过调节谷氨酰胺代谢来调节氨诱导的自噬[10]。

综上所述，GLUD1是一种重要的酶，在谷氨酰胺代谢中发挥关键作用。GLUD1在多种生物学过程中发挥作用，包括细胞分化、发育、代谢和疾病发生。GLUD1在神经系统中的功能特别有趣，影响神经元的兴奋性和抑制性。GLUD1的基因缺失小鼠表现出恐惧记忆受损、社交互动减少和抑郁样行为增强。GLUD1通过非离子型机制控制GABA能突触传递，挑战了传统的谷氨酸能和GABA能受体之间的二元对立。GLUD1在肌肉干细胞命运中发挥作用，通过控制线粒体谷氨酸水平来决定肌肉干细胞的分化。GLUD1突变与高胰岛素血症-高氨血症综合征（HIHA）相关。GLUD1通过抑制PI3K/Akt/mTOR途径抑制肾肿瘤的发生和发展。GLUD1通过ROS介导的p38/JNK MAPK途径激活和线粒体凋亡抑制肝细胞癌（HCC）的进展。GLUD1在肌肉再生中发挥作用，通过调节卫星细胞的功能来促进肌肉再生。GLUD1在肺腺癌中的稳定性受STUB1介导的泛素化调节。SIRT5通过调节谷氨酰胺代谢来调节氨的产生，并调节氨诱导的自噬和线粒体自噬。GLUD1的研究有助于深入理解谷氨酰胺代谢的生物学功能和疾病发生机制，为疾病的治疗和预防提供新的思路和策略。