กลูตามิกแอซิดดีคาร์บอกซิเลส 1
GAD67 ได้มาจากPDB : 2okj
ตัวระบุ
เครื่องหมาย	จีเอดี1
สัญลักษณ์ทางเลือก	กลูตาเมตดีคาร์บอกซิเลส 1 (สมอง, 67kD); GAD67
ยีน NCBI	2571
เอชจีเอ็นซี	4092
โอเอ็มไอเอ็ม	605363
ลำดับอ้างอิง	NM_000817
ยูนิโปรท	Q99259
ข้อมูลอื่นๆ
หมายเลข EC	4.1.1.15
ตำแหน่ง	บท 2 ข้อ 31
ค้นหา โครงสร้าง แบบจำลองสวิส โดเมน อินเตอร์โปร

เอนไซม์ กลูตาเมตดีคาร์บอกซิเลสหรือกลูตามิกแอซิดดีคาร์บอกซิเล ส ( GAD ) เป็นเอนไซม์ที่เร่งปฏิกิริยา การดีคาร์บอกซิเลชัน ของกลูตาเมตให้กลายเป็นกรดแกมมาอะมิโนบิวทิริก (GABA) และคาร์บอนไดออกไซด์ ( CO2 GAD ใช้ไพริดอกซาลฟอสเฟต (PLP) เป็นโคแฟคเตอร์ปฏิกิริยาเกิดขึ้นดังนี้:

HOOC−CH −CH −CH(NH )−COOH → CO + HOOC−CH −CH −CH NH

ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม GAD มีอยู่ 2 ไอโซฟอร์มที่มีน้ำหนักโมเลกุล 67 และ 65 kDa (GAD และ GAD ) ซึ่งถูกเข้ารหัสโดยยีน 2 ยีนที่แตกต่างกัน บนโครโมโซม ที่ต่างกัน ( ยีนGAD1และGAD2 บน โครโมโซม 2และ10ในมนุษย์ ตามลำดับ) ^{[ 1 ] [ 2 ]} GAD และ GAD ถูกแสดงออกในสมองซึ่ง GABA ถูกใช้เป็นสารสื่อประสาทและยังถูกแสดงออกในเซลล์ βที่สร้างอินซูลินของตับอ่อนในอัตราส่วนที่แตกต่างกันไปตามชนิดของสัตว์^{[ 3 ]}เอนไซม์ทั้งสองนี้ร่วมกันรักษาระดับ GABA ในร่างกายของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม^{[ 2 ]}แม้ว่า GABA อาจถูกสังเคราะห์จากพิวเทรสซีนในระบบประสาทลำไส้ [ ^{4 ]}สมอง^{[ 5 ] [ 6 ]}และที่อื่นๆ โดยการทำงานของไดอะมีนออกซิเดส^และอัลดีไฮด์ดีไฮโดรจีเนส 1a1 ^{[ 4 ] [ 6 ]}

สามารถตรวจพบ ทรานสคริปต์และโพลีเปปไทด์ ที่ถูกตัดทอนหลายรายการ ของ GAD ในสมองที่กำลังพัฒนา^{[ 7 ]}อย่างไรก็ตาม หน้าที่ของพวกมัน หากมี ก็ยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด

ไอโซฟอร์มทั้งสองของ GAD เป็นโครงสร้างโฮโมไดเมอริก ซึ่งประกอบด้วยโดเมนหลักสามโดเมน ได้แก่ โดเมน PLP โดเมนปลาย C และโดเมนปลาย N โดเมนที่จับกับ PLP ของเอนไซม์นี้มีโครงสร้างคล้ายทรานสเฟอเรสแบบขึ้นอยู่กับ PLP ชนิดที่ 1 ^{[ 8 ]}ปฏิกิริยาดำเนินไปตามกลไกแบบแคนอนิก โดยเกี่ยวข้องกับการเชื่อมต่อแบบชิฟฟ์เบสระหว่าง PLP และ Lys405 PLP ถูกยึดไว้ด้วยการเรียงซ้อนเบสกับหมู่ฮิสติดีนที่อยู่ติดกัน และ GABA ถูกจัดวางให้หมู่คาร์บอกซิลสร้างพันธะเกลือกับอาร์จินีนและพันธะไฮโดรเจนกับกลูตามีน

การเกิดไดเมอร์เป็นสิ่งจำเป็นในการรักษาการทำงาน เนื่องจากตำแหน่งออกฤทธิ์อยู่ที่ส่วนต่อประสานนี้ และการกลายพันธุ์ที่ขัดขวางการเชื่อมโยงที่เหมาะสมระหว่างโซ่ทั้งสองนั้นเชื่อมโยงกับพยาธิสภาพ เช่น โรคจิตเภท^{[ 9 ] [ 10 ]}การขัดขวางการเกิดไดเมอร์โดยสารยับยั้ง GAD เช่นกรด 2-keto-4-pentenoic (KPA) และเอทิลคีโตเพนทีโนเอต (EKP) ยังแสดงให้เห็นว่านำไปสู่การลดลงอย่างมากของการผลิต GABA และการเกิดอาการชัก^{[ 11 ] [ 8 ]}

กิจกรรมเร่งปฏิกิริยาเกิดขึ้นโดยผ่านลูปที่ยืดหยุ่นสั้นๆ ที่ส่วนต่อประสานของไดเมอร์ (เรซิเดนซ์ 432–442 ใน GAD67 และ 423–433 ใน GAD65) ใน GAD67 ลูปนี้ยังคงยึดติดอยู่ ครอบคลุมไซต์ที่ใช้งานอยู่และให้สภาพแวดล้อมเร่งปฏิกิริยาเพื่อรักษาการผลิต GABA การเคลื่อนที่ของลูปนี้ใน GAD65 ส่งเสริมปฏิกิริยาข้างเคียงที่ส่งผลให้เกิดการปล่อย PLP ซึ่งนำไปสู่การปิดใช้งานตัวเอง^{[ 12 ]}โครงสร้างของลูปนี้เชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับโดเมนปลาย C ซึ่งส่งผลต่ออัตราการปิดใช้งานตัวเองด้วย^{[ 13 ]}ยิ่งไปกว่านั้น GAD65 ที่จับกับ GABA มีความยืดหยุ่นมากกว่าโดยธรรมชาติและมีอยู่เป็นกลุ่มของสถานะต่างๆ จึงให้โอกาสมากขึ้นสำหรับการเกิดออโตแอนติเจนิกดังที่พบในโรคเบาหวานประเภทที่ 1 ^{[ 14 ] [ 15 ]} GAD ที่ได้จากEscherichia coliแสดงให้เห็นถึงความซับซ้อนของโครงสร้างเพิ่มเติม รวมถึงการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างที่ขึ้นอยู่กับ pH พฤติกรรมนี้ถูกกำหนดโดยการมีอยู่ของกลุ่มเกลียวสามชั้นที่เกิดจากปลาย N ของโปรตีนเฮกซาเมอร์ในสภาพแวดล้อมที่เป็นกรด^{[ 16 ]}

แม้ว่ายีน GAD65 และ GAD67 จะมีลำดับเบสที่คล้ายคลึงกันมาก แต่ทั้งสองยีนกลับทำหน้าที่แตกต่างกันอย่างมากในร่างกายมนุษย์ นอกจากนี้ งานวิจัยยังชี้ให้เห็นว่า GAD65 และ GAD67 ถูกควบคุมโดยกลไกการทำงานของเซลล์ที่แตกต่างกันอย่างชัดเจน

GAD และ GAD สังเคราะห์ GABA ในตำแหน่งที่แตกต่างกันในเซลล์ ในช่วงเวลาการพัฒนาที่แตกต่างกัน และเพื่อวัตถุประสงค์ในการทำงานที่แตกต่างกัน^{[ 17 ] [ 18 ]} GAD กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งเซลล์ ในขณะที่ GAD อยู่เฉพาะที่ปลายประสาท^{[ 17 ] [ 19 ] [ 20 ]} GAD สังเคราะห์ GABA สำหรับกิจกรรมของเซลล์ประสาทที่ไม่เกี่ยวข้องกับการส่งสัญญาณประสาท เช่น การสร้างไซแนปส์และการป้องกันการบาดเจ็บของเซลล์ประสาท^{[ 17 ] [ 18 ]}ฟังก์ชันนี้ต้องการการมีอยู่ของ GABA อย่างแพร่หลายและทั่วถึง อย่างไรก็ตาม GAD สังเคราะห์ GABA สำหรับการส่งสัญญาณประสาท^{[ 17 ]}ดังนั้นจึงจำเป็นเฉพาะที่ปลายประสาทและไซแนปส์เท่านั้น เพื่อช่วยในการส่งสัญญาณประสาท GAD จะสร้างคอมเพล็กซ์กับ heat shock cognate 70 (HSC ), cysteine ​​string protein (CSP) และ vesicular GABA transporter VGAT ซึ่งเมื่อรวมกันเป็นคอมเพล็กซ์แล้วจะช่วยบรรจุ GABA ลงในเวสิเคิลเพื่อปล่อยออกมาในระหว่างการส่งสัญญาณประสาท^{[ 21 ]} GAD จะถูกถอดรหัสในช่วงพัฒนาการระยะแรก ในขณะที่ GAD จะไม่ถูกถอดรหัสจนกว่าจะถึงช่วงหลังของชีวิต^{[ 17 ]}ความแตกต่างในการพัฒนาของ GAD และ GAD นี้ สะท้อนถึงคุณสมบัติการทำงานของแต่ละไอโซฟอร์ม GAD จำเป็นตลอดช่วงพัฒนาการสำหรับการทำงานของเซลล์ตามปกติ ในขณะที่ GAD ไม่จำเป็นจนกว่าจะถึงช่วงหลังของการพัฒนาเล็กน้อยเมื่อการยับยั้งไซแนปส์แพร่หลายมากขึ้น^{[ 17 ]}

GAD และ GAD ยังได้รับการควบคุมหลังการแปลที่แตกต่างกันด้วย ทั้ง GAD และ GAD ได้รับการควบคุมผ่านการฟอสโฟรีเลชันของลูปเร่งปฏิกิริยาแบบไดนามิก^{[ 22 ] [ 12 ]}แต่การควบคุมของไอโซฟอร์มเหล่านี้แตกต่างกัน GAD ถูกกระตุ้นโดยการฟอสโฟรีเลชัน ในขณะที่ GAD ถูกยับยั้งโดยการฟอสโฟรีเลชัน GAD67 พบว่าอยู่ในสถานะกระตุ้นเป็นส่วนใหญ่ (~92%) ในขณะที่ GAD65 พบว่าอยู่ในสถานะไม่ทำงานเป็นส่วนใหญ่ (~72%) ^{[ 23 ]} GAD ถูกฟอสโฟรีเลชันที่ทรีโอนีน 91 โดยโปรตีนไคเนส A (PKA) ในขณะที่ GAD ถูกฟอสโฟรีเลชัน และดังนั้นจึงได้รับการควบคุมโดยโปรตีนไคเนส C (PKC) ทั้ง GAD และ GAD ยังได้รับการควบคุมหลังการแปลโดยไพริดอกซาล 5'-ฟอสเฟต (PLP) ด้วย GAD จะทำงานเมื่อจับกับ PLP และไม่ทำงานเมื่อไม่ได้จับกับ PLP ^{[ 23 ]}ส่วนใหญ่จะจับกับ PLP ในเวลาใดก็ตาม ในขณะที่ GAD จะจับกับ PLP เมื่อจำเป็นต้องใช้ GABA สำหรับการส่งสัญญาณประสาท^{[ 23 ]}สิ่งนี้สะท้อนถึงคุณสมบัติการทำงานของไอโซฟอร์มทั้งสอง GAD ต้องทำงานตลอดเวลาเพื่อการทำงานของเซลล์ตามปกติ ดังนั้นจึงถูกกระตุ้นโดย PLP อย่างต่อเนื่อง ในขณะที่ GAD จะต้องทำงานเฉพาะเมื่อมีการส่งสัญญาณประสาท GABA เกิดขึ้นเท่านั้น และดังนั้นจึงถูกควบคุมตามสภาพแวดล้อมของไซแนปส์

การศึกษาในหนูยังแสดงให้เห็นถึงความแตกต่างในการทำงานระหว่าง Gad67 และ Gad65 หนู GAD67−/− เกิดมาพร้อมกับเพดานปากแหว่งและเสียชีวิตภายในหนึ่งวันหลังคลอด ในขณะที่หนู GAD65−/− รอดชีวิตโดยมีแนวโน้มที่จะเกิดอาการชักเพิ่มขึ้นเล็กน้อย นอกจากนี้ GAD65± ยังมีอาการที่คล้ายกับโรคสมาธิสั้น (ADHD) ในมนุษย์^{[ 24 ]}

ทั้ง GAD67 และ GAD65 มีอยู่ในไซแนปส์ทุกประเภทภายในระบบประสาทของมนุษย์ ซึ่งรวมถึง ไซแนปส์ เดนโดรเดนไดรติกแอ็กโซโซมาติก และแอ็กโซเดนไดรติก หลักฐานเบื้องต้นชี้ให้เห็นว่า GAD65 มีบทบาทเด่นในระบบการมองเห็นและระบบต่อมไร้ท่อประสาท ซึ่งมีการเปลี่ยนแปลงเป็นระยะๆ มากกว่า นอกจากนี้ยังเชื่อกันว่า GAD67 มีปริมาณสูงกว่าในเซลล์ประสาทที่ทำงานอย่างต่อเนื่อง^{[ 25 ]}

แอนติบอดีที่มุ่งเป้าไปที่กลูตามิกแอซิดดีคาร์บอกซิเลส (GAD) พบมากขึ้นในผู้ป่วยที่มีอาการอื่นๆ ที่บ่งชี้ถึงความผิดปกติของระบบประสาทส่วนกลาง (CNS) เช่นอะแท็กเซียโรคสมองอักเสบแบบก้าวหน้าที่มีอาการแข็งเกร็งและกล้ามเนื้อกระตุก (PERM) โรคสมองอักเสบลิมบิกและโรคลมชัก [ ^{46 ] รูป}แบบของแอนติบอดีต่อ GAD ในโรคลมชักแตกต่างจากโรคเบาหวานประเภทที่ 1 และกลุ่มอาการคนแข็งเกร็ง^{[ 47 ]}

นอกจากการสังเคราะห์ GABA แล้ว GAD ยังมีหน้าที่เพิ่มเติมและโครงสร้างที่แตกต่างกันไปตามสิ่งมีชีวิต ในSaccharomyces cerevisiae GAD จะจับกับโปรตีนควบคุม Ca2 ^{+ ที่เรียกว่า} calmodulin (CaM) และยังมีส่วนเกี่ยวข้องในการตอบสนองต่อความเครียดจากออกซิเดชันด้วย^{[ 48 ]}ในทำนองเดียวกัน GAD ในพืชก็จับกับ calmodulin เช่นกัน^{[ 49 ]}ปฏิสัมพันธ์นี้เกิดขึ้นที่โดเมนจับ CAM (CaMBD) ขนาด 30-50 bp ที่ปลาย C และจำเป็นสำหรับการควบคุมการผลิต GABA อย่างเหมาะสม^{[ 50 ]}แตกต่างจากสัตว์มีกระดูกสันหลังและสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลัง GABA ที่ผลิตโดย GAD ในพืชจะถูกนำไปใช้ในการส่งสัญญาณความเครียดจากสิ่งแวดล้อมโดยการควบคุมระดับ Ca2 ⁺ ภายในเซลล์ ผ่านทาง CaM การจับกับ CaM จะเปิดช่อง Ca2 ⁺และนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของความเข้มข้นของ Ca2 ⁺ในไซโตโซล ทำให้ Ca2 ⁺ทำหน้าที่เป็นตัวส่งสัญญาณรองและกระตุ้นวิถีทางปลายน้ำ เมื่อ GAD ไม่จับกับ CaM, CaMBD จะทำหน้าที่เป็นโดเมนยับยั้งตัวเอง จึงทำให้ GAD ไม่ทำงานในกรณีที่ไม่มีความเครียด^{[ 50 ]}ที่น่าสนใจคือ ในพืชสองชนิด ได้แก่ ข้าวและแอปเปิล ได้มีการค้นพบไอโซฟอร์ม GAD ที่ไม่ขึ้นกับ Ca2+/CAM ^{[ 51 ] [ 52 ]}ปลาย C ของไอโซฟอร์มเหล่านี้มีการแทนที่ที่ตำแหน่งสำคัญที่จำเป็นต่อการโต้ตอบกับ CaM ใน CaMBD ซึ่งป้องกันไม่ให้โปรตีนจับกับ GAD ในขณะที่ CaMBD ของไอโซฟอร์มในข้าวยังคงทำหน้าที่เป็นโดเมนยับยั้งตัวเอง^{[ 51 ]} แต่ ปลาย C ในไอโซฟอร์มในแอปเปิลนั้นไม่เป็นเช่นนั้น^{[ 52 ]}สุดท้าย โครงสร้างของ GAD ในพืชเป็นเฮกซาเมอร์และมีกิจกรรมที่ขึ้นอยู่กับ pH โดยมี pH ที่เหมาะสมที่สุดคือ 5.8 ในหลายชนิด^{[ 50 ] [ 53 ]}แต่ยังมีกิจกรรมที่สำคัญที่ pH 7.3 เมื่อมี CaM อยู่ด้วย^{[ 16 ]}

เชื่อกันว่าการควบคุมกลูตาเมตดีคาร์บอกซิเลสมีแนวโน้มที่จะช่วยปรับปรุงคุณภาพของผลผลิตส้มหลังการเก็บเกี่ยวได้ งานวิจัยแสดงให้เห็นว่ากลูตาเมตดีคาร์บอกซิเลสมีบทบาทสำคัญในกระบวนการเผาผลาญซิเตรตในพืชส้ม การเพิ่มกลูตาเมตดีคาร์บอกซิเลสผ่านการสัมผัสโดยตรงทำให้ระดับซิเตรตในพืชเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ และการรักษาคุณภาพหลังการเก็บเกี่ยวก็ดีขึ้นอย่างเห็นได้ชัด รวมถึงอัตราการเน่าเสียลดลงด้วย^{[ 54 ]}

เช่นเดียวกับ GAD ในพืช GAD ในE. coliมีโครงสร้างเฮกซาเมอร์และทำงานได้ดีขึ้นภายใต้ pH ที่เป็นกรด โดย pH ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับ GAD ใน E. coliคือ 3.8-4.6 อย่างไรก็ตาม แตกต่างจากพืชและยีสต์ GAD ในE. coliไม่จำเป็นต้องมีการจับกับแคลโมดูลินเพื่อการทำงาน นอกจากนี้ยังมี GAD สองไอโซฟอร์ม ได้แก่ GadA และ GadB ซึ่งถูกเข้ารหัสโดยยีนที่แยกจากกันในE. coli [ ^{55 ]}แม้ว่าทั้งสองไอโซฟอร์มจะเหมือนกัน ทางชีวเคมีก็ตาม ^{[ 56 ]}เอนไซม์นี้มีบทบาทสำคัญในการให้ความต้านทานต่อกรดและช่วยให้แบคทีเรียสามารถอยู่รอดได้ชั่วคราวในสภาพแวดล้อมที่เป็นกรดสูง (pH < 2.5) เช่นในกระเพาะอาหาร^{[ 57 ] โดย} GAD จะทำการดีคาร์บอกซิเลชันกลูตาเมตเป็น GABA ซึ่งต้องใช้ H+ เป็นสารตั้งต้นและเพิ่ม pH ภายในแบคทีเรีย จากนั้น GABA สามารถถูกส่งออกจาก เซลล์ E. coliและมีส่วนช่วยเพิ่มค่า pH ของสภาพแวดล้อมภายนอกเซลล์ที่อยู่ใกล้เคียง^{[ 16 ]}

• สื่อที่เกี่ยวข้องกับกลูตาเมตดีคาร์บอกซิเลสในวิกิมีเดียคอมมอนส์
• พันธุศาสตร์และการวิเคราะห์รูปแบบการแสดงออกของยีนสนับสนุนการขาด GABA ในผู้ป่วยโรคจิตเภท - การประชุมวิจัยโรคจิตเภท, 25 มิถุนายน 2550
• ภาพรวมของข้อมูลโครงสร้างทั้งหมดที่มีอยู่ในPDB สำหรับUniProt : Q99259 (กลูตาเมตดีคาร์บอกซิเลส 1) ที่PDBe- KB
• ภาพรวมของข้อมูลโครงสร้างทั้งหมดที่มีอยู่ในPDB สำหรับUniProt : Q05329 (กลูตาเมตดีคาร์บอกซิเลส 2) ที่PDBe- KB