ALDH3基因

 酒，可以说是人类文明发展的一部份(Vallee, 1998)，但在先进的西方国 

家和亚洲的日本，酒瘾(包括酒精滥用及酒精依赖)一直是严重的社会与医学 
问题。酒瘾是一种病态的饮酒行为，当事者即使已出现心理困难、行为异常、 
社会功能障碍、酒精耐受性、戒断症状、并发多重器官病变等生理、心理及 
行为问题，仍无法自我控制，反覆性不停地饮用酒精。目前流行病学的研究 
显示，西方社会的酒精依赖终生盛行率约为17%，国内约1.5－3.2% (Helzer 
et al., 1990; Hwu et al., 1985; Kessler et al., 1997) 。国内的酒精依赖终生盛行 
率目前虽然较西方社会低，但近20 年来，台湾随着工商业的快速发展，酒 
类的消耗量大幅增加，1996 年的酒类销售已经比十年前整整成长了一倍以 
上。因此对于未来持续酒精大量消费，使得人们对酒精之滥用愈来愈严重， 
可能引起国人的社会与医疗问题，社会成本相对增加，因此对于酒瘾之研究 
实在是件不容忽视的事情。 
  
醇脱氢酶（alcohol：NAD +  oxidoreductase，EC 1.1.1.1；简称ADH）普 
遍存在于生物体内。人体内的ADH是由一系列低Km与高Km的同功酶所组 
成，可参与不同浓度的乙醇及其它醇类的氧化。目前已知人体有三种酶系 
统，可以催化乙醇氧化成为乙醛，包括醇脱氢酶(alcohol dehydrogenase，简 
称ADH)，过氧化氢酶(catalase)和微粒体乙醇氧化系统(microsomal 
ethanol-oxidizing system，简称MEOS)。在生理条件下，ADH是主要的酒精 
代谢酶，过氧化氢酶只扮演相当次要角色，而MEOS由于它的诱导性 
(inducibility)和对乙醇的高Km特性(8−10mM)，当长期或大量饮酒时，它可以 
有意义参与(Lieber, 1994)。由上述催化产生的乙醛，进一步由醛去氢酶 
(aldehyde dehydrogenase，简称ALDH)的催化产生乙酸，肝脏生成的乙酸经 
血液输送至周边组织并活化成乙醯辅酶A (acetyl CoA)，然后进入柠檬酸循 
环和氧化磷酸化途径，生成二氧化碳及水，同时产生ATP做为细胞的能源。 
  
ALDH 广泛分布于细菌至人类。早在 50 年前即有报告哺乳类的牛肝表 
现ALDH的活性（Racker, 1949），自此后陆续发现ALDH有不同的同功酶 
存在。目前已知人类的ALDH 基因有17 个（表一），这些基因是由10 到 
18 个表现序列（exon）组成，位于不同的染色体，其核苷酸长度约11–70 kb， 
每个基因表现之酶次单元约500 个胺基酸（Sladele , 2002；Yoshida et al., 
1998）。在ALDH 基因中只有ALDH1B1 的表现序列中不含插入序列 
（intron）。在ALDH 族中，目前已知具有催化活性之同双次单元分子有 
ALDH1A1、ALDH3A1、ALDH3A2、ALDH4A1，四次单元分子有ALDH1A1、 
 1ALDH1B1、ALDH1L1、ALDH2、ALDH5A1、ALDH6A1、ALDH7A1 及 
ALDH9A1。对大多数的 ALDH，NAD + 作为辅酶的效率较 NADP + 高。一般 
来说，低Km的ALDH被认为与乙醛解毒有关（Harrington et al., 1987；Mitchell 
et al., 1987；Jakoby et al., 1990）。 
  
人类ALD1A1 基因位于染色体9q21，其酶次单元有500个胺基酸（Hsu et 
al., 1986），广泛表现于不同组织的胞质液。文献指出 ALDH1A1对 all-trans 
与9-cis 维甲醛（retinal）有氧化活性（Km < 0.1 μM），将维甲醛转变为维甲 
酸（Yoshida et al., 1992），而维甲酸对胚胎之发育及组织的细胞分化均扮演 
重要的角色。 ALDH1A1 对于aldophosphamide 有很高的氧化活性，因此与 
oxazaphosphorines 抗癌药物的代谢有关（Hilton et al., 1984；Sladek et al., 
1985），而推论人体内抗药性的产生受到组织ALDH1A1表现的影响。 
  
ALDH2 位于人类染色体12q24，其酶次单元有500 个胺基酸（Hsu et al., 
1988），广泛存在于不同组织的粒线体中，主要在肝脏表现。 ALDH2 对乙 
醛的Km极低（Km = 0.2 μM），所以对人体内乙醛的解毒扮演重要角色。近 
年来研究发现东方人的酒精敏感性（alcohol sensitivity）（包括脸部泛红、体 
温上升及脉膊速率增加），主要是由于ALDH2 基因的DNA 表现序列12 中 
发生点突变，使得胺基酸序列中第487 位置之麸胺酸转变为离胺酸所造成 
（Yoshida et al., 1991）。这种突变型ALDH2 在西方白人、黑人及印地安人 
很少发现（Novorudovsky et al., 1995）。 
  
ALDH3A1位于人类染色体17p11.2，其酶次单元有452个胺基酸（Hsu et 
al., 1992, 1996），大量表现于人上消化道系统如胃、食道、牙龈等黏膜组织 
（Yin et al., 1992, 1993, 1994；Dong et al., 1996）。在人类肝癌细胞，约有 70% 
分化较差及30%分化较好之癌细胞表现着ALDH3A1 活性（Shibuya et al., 
1994）。动力学研究发现，ALDH3A1对氧化芳香醛及中、长链脂肪醛的Km 
很低，故推测其生理功能可能与脂质过氧化后产生之不饱和醛的氧化有关 
（Evces and Lindahl, 1989；Lindahl and Petersen, 1991）。近年来发现 ALDH3 
在哺乳动物包括人类眼睛角膜大量表现，而认为与脂质过氧化醛物的分解有 
关（King et al.,1997；Algar et al., 1993）。 
  
ALDH3A2位于人类染色体17p11，其酶次单元有484个胺基酸，存在于 
肝脏、心脏与肌肉的内质网内（Chang and Yoshida, 1997；Rogers et al., 1997）， 
与ALDH3A1 一样，对中链之脂类醛有很高的氧化活性，因此命名为脂类醛 
脱氢酶（fatty aldehyde dehydrogenase,简称FALDH）。 FALDH 的基因缺陷 
会使细胞膜脂质代谢异常而造成Sjögren-Larsson syndrome，此遗传性疾病症 
状为鱼鳞癣（ichthyosis）、智能不足及神经病变（DeLaurenzi et al., 1996）。 
  
ALDH4A1位于人类第一号染色体，其酶次单元有539个胺基酸（Hu et al., 
1996），分布于肝脏、肾脏及骨骼肌，对麸胺酸半醛（glutamic γ-semialdehyde） 
有高活性（Forte-McRobbie and Pietruszko, 1986），因此命名为麸胺酸半醛脱 
氢酶（glutamic γ-semialdehyde dehydrogenase）。麸胺酸半醛脱氢酶的基因缺 
陷会抑制脯胺酸降解及4-胺基丁酸（4-aminobutyric acid）合成，造成第二型 
高脯胺酸血症（type hyperprolinemiaⅡ ），其症状为血浆中脯胺酸浓度上升， 
智力障碍和肌肉抽搐（Efron, 1965；Valle et al., 1979），第二型高脯胺酸血 
症 DNA 确切突变位置目前尚未清楚。 
  
ALDH9A1位于人类染色体1q22-23，其酶次单元有492个胺基酸（Lin et 
al. 1996），存在于肝脏、肾脏、心脏与肌肉之胞质液内，对4-胺基丁醛 
（4-aminobutyraldehyde）有很高的氧化活性（Ambroziak and Pietruszko, 
1993），因此命名为胺基丁醛脱氢酶（4-aminobutyraldehyde dehydrogenase, 简 
称γABDH）。 γABDH在成年人大脑表现很低，却大量表现于怀孕少于12周 
的胚胎脑内（Lin et al., 1996）。 γABDH 基因具有多形性（polymorphism）， 
在其DNA序列的第327位置有C或T两种核苷酸存在之可能性，且在第344 
位置也有G 或C 存在之可能，在第327 位置之核苷酸改变并不影响酶之活 
性，但是第344 位置上核苷酸改变却可能改变酶之动力学性质（Lin et al., 
1996）。 
  
至于其它ALDH族成员，ALDH1A2 位于人类染色体15q21，其酶次单元 
有498个胺基酸，核苷酸长度大于70 kb，存在于睪丸之胞质液内，ALDH1A2 
参与维甲醛及中链脂类醛之氧化，研究指出ALDH1A2 剔除鼠胚胎发育不完 
全有死胎的现象（Chambon et al., 1999）。 ALDH1B1 位于人类染色体 9p13， 
其酶次单元有500个胺基酸，分布于肝脏与睪丸之粒线体内（Hsu and Chang, 
1991）。 ALDH1B1 可参与短链脂肪醛的氧化（Stewart et al., 1995）。 ALDH1A3 
位于人类染色体15q26，其酶次单元有511 个胺基酸，存在于唾腺、胃黏膜 
与肾脏之胞质液内（Hsu and Chang, 1991）。近年来发现 ALDH1A3 可参与 
维甲醛的氧化，故推测与维甲酸合成有关（Hsu et al., 1998）。 ALDH1L1 位 
于人类染色体3q21，其酶次单元有901 个胺基酸，存在于肝脏之胞质液内， 
ALDH1L1参与四氢叶酸（10-formyltetrahydrofolate）之氧化（Champion et al., 
1994）。 ALDH3B1 与ALDH3B2 皆位于人类染色体11q13，其酶次单元分别 
为467 及384 个胺基酸（Hsu et al., 1994, 1997）。其基质专一性及动力学机 
 3制尚未有报告。人类ALDH5A1 位于人类染色体6p22，其酶次单元有488 个 
胺基酸，存在于脑、肝脏与心脏之粒线体内（Chambliss et al., 1995；Trettel et 
al., 1997），对丁二酸半醛（succinic semialdehyde）有很高的氧化活性（Trettel 
et al., 1997）。 ALDH5A1 的基因缺陷会使丁二酸半醛堆积而造成运动神经障 
碍（psychomotor retardation）（Jakobs et al., 1993）。 ALDH6A1 位于人类染 
色体14q24，存在于肝、肾及心脏之粒线体内（Kedishvili et al., 1992），酶 
次单元有500 个胺基酸。 ALDH7A1 位于人类染色体5q31，具有18 个表现序 
列（exon），次单元有510 个胺基酸，存在于肾脏、卵巢及心脏之胞质液内， 
其功能尚未明确。 ALDH8A1位于人类染色体6q24-25，其酶次单元有486个 
胺基酸，存在于肝脏、肾脏之胞质液内，ALDH8A1 参与维甲醛之氧化。 
ALDH18A1 位于人类染色体10q24，其酶次单元有729 个胺基酸，存在于肾 
脏、胰脏、脾脏之粒线体内。 
  
在人类肝脏，乙醇代谢产物乙醛的氧化主要是由细胞液型ALDH1A1 及 
粒线体型ALDH2 负责。 ALDH1A1 与ALDH2对乙醛的Km值分别为33 μM 
及0.2 μM（Pietruszko et al., 1983；Yin et al., 1995），其中以低Km值的ALDH2 
对乙醛的氧化特别重要。不同人类族群，有ALDH2*1 和ALDH2*2 两种对偶 
基因存在。西方人几乎全部为ALDH2*1；有50%东方人具变异型（variant） 
ALDH2*2，饮酒后造成脸部泛红、心跳加快、呕吐等酒精敏感性反应（alcohol 
sensitivity）（Mizoi et al., 1979；Harada et al., 1981）。分子流行病学报告指 
出，变异型ALDH2*2 频数在东方人酒瘾患者群显著较正常族群为低 
（Thomasson et al., 1991；Higuchi et al., 1994）。有趣的是 ALDH2*2/*2同型 
接合子（homozygote）在1300 位日本酒瘾群中未发现一例，显示其为完全拒 
酒基因型（full alcohol-rejecting gene status）。这是由于ALDH2*2/*2 的人即 
使饮用低量酒精，仍使血中乙醛大量堆积，引发心跳加快等持续性主观的不 
舒适感觉（Peng et al., 1999）。 ALDH2 基因的表现序列12，有单一核苷酸多 
形性（single nucleotide polymorphism, SNP），变异型对偶基因ALDH2*2 由 
G变成A，造成第487 位置胺基酸由麸胺酸（glutamic acid, E）突变为离胺酸 
（lysine, K）（Yoshida et al., 1991）。变异型 ALDH2*2 对酶活性表现呈显性， 
即ALDH2*2/*2 和ALDH2*1/*2 同/异型接合子之人肝均不表现ALDH2 的活 
性。 
本实验室过去致力于人体醇脱氢酶和醛脱氢酶对酒精之相关研究，如人 
类酒精代谢酶系统之对偶同功酶(allozyme) 其动力学特性与乙醇及其代谢 
产物乙醛在人体的药物动力学(pharmacokinetics) 及药物效力学 
(pharmacodynamics)，对饮酒行为、器官组织伤害和酒瘾发生的影响。在人类 
 4肝脏，乙醇代谢产物乙醛的氧化主要是由细胞液型ALDH1A1 及粒线体型 
ALDH2 负责。其中以低Km值的ALDH2 对乙醛的氧化特别重要，但有50% 
东方人具变异型（variant）ALDH2*2，不表现ALDH2 的活性，所以对于变 
异型ALDH2*2 族群之乙醛代谢ALDH1A1 更显重要。由于自人肝组织纯化 
出的ALDH1A1 量少，且检体取之不易，故本论文以美国普渡大学Henry 
Weiner 教授赠与本实验室之ALDH1A1 cDNA 载体，利用大肠杆菌宿主细胞 
表现人类重组ALDH1A1，加以纯化及制备大量ALDH1A1，应用初速度实 
验、产物抑制实验及死巷抑制实验，进一步探讨人类重组ALDH1A1 催化乙 
醛之动力学机制。