谷氨酰胺酰胺转移酶

谷氨酰胺酰胺转移酶（英语：Glutamine amidotransferase， GATase）是一类能够催化将谷氨酰胺（Glutamine）的酰胺氮（-NH₂）转移至特定受体分子上的酶。它们是一类重要的氨基供体酶，广泛参与嘌呤、嘧啶、氨基酸、氨基糖以及多种辅因子（如NAD⁺、FAD、CoA）的生物合成。这类酶的核心特征是包含一个谷氨酰胺酰胺转移酶结构域（GATase domain），该结构域能水解谷氨酰胺生成谷氨酸和氨，并将氨直接或通过通道递送至相邻的合酶结构域进行后续反应，从而避免游离氨的扩散和损失。

分类与结构

根据结构域组成分类

1. 单功能GATase：仅含有GATase结构域，为独立的氨基供体模块。通常作为大型多酶复合物（如氨基甲酰磷酸合成酶II）的一部分存在。

2. 融合型GATase：GATase结构域与一个或多个具有不同催化功能的合酶结构域（Synthase domain）共价融合，形成单一多肽链。

   • 嘌呤合成型：如磷酸核糖焦磷酸酰胺转移酶（GPAT， 嘌呤从头合成第一步）， 含GATase和转酰胺酶结构域。

   • 嘧啶合成型：如氨甲酰磷酸合成酶（CPSase， 细菌和真核细胞胞质型）， 含GATase、合酶和裂解酶结构域。

   • 氨基酸合成型：如谷氨酰胺合成酶（GS， 一种特殊的GATase， 以氨为主要底物，但亦能利用谷氨酰胺）。

GATase结构域特征

• 催化三联体：通常包含一个保守的半胱氨酸残基（亲核体）、一个组氨酸和一个谷氨酸/天冬氨酸残基。半胱氨酸攻击谷氨酰胺的羰基碳，形成γ-谷氨酰硫酯中间体，随后水解释放氨。

• 氨通道：在融合型GATase中，GATase结构域与合酶结构域之间通常存在一个物理性的分子内通道（Tunnel），用于将水解产生的氨定向、高效地输送到合酶活性中心，防止其扩散或被质子化。

催化机制

以典型的融合型GATase为例，其催化是谷氨酰胺水解与受体分子氨基化两个反应的偶联：

1. 谷氨酰胺结合与活化：谷氨酰胺进入GATase结构域活性中心，其羰基受到保守半胱氨酸残基的亲核攻击，形成γ-谷氨酰-酶硫酯中间体，并释放一个质子。

2. 氨的生成与通道传递：水分子攻击硫酯键，生成谷氨酸并释放氨。氨分子随即进入连接通道，被定向输送到相邻的合酶活性中心。

3. 受体氨基化：在合酶活性中心，受体分子（通常是带有亲电碳中心的代谢中间体）与通道输送来的氨反应，完成氨基转移，生成最终产物。

主要成员与功能

1. 磷酸核糖焦磷酸酰胺转移酶（GPAT）：

   • 功能：催化嘌呤从头合成的第一步，也是限速步骤。将谷氨酰胺的酰胺氮转移至5-磷酸核糖-1-焦磷酸（PRPP），生成5‘-磷酸核糖胺（PRA）。

   • 调控：受终产物AMP和GMP的强烈反馈抑制。

2. 氨甲酰磷酸合成酶II（CPS II）：

   • 功能：位于嘧啶从头合成通路起始。利用谷氨酰胺（或氨）、ATP和HCO₃⁻，合成氨甲酰磷酸。

   • 结构：在哺乳动物中，是与天冬氨酸转氨甲酰酶和二氢乳清酸酶形成的大型多酶复合物（CAD蛋白）的一部分。

   • 调控：受UTP抑制，受磷酸核糖焦磷酸（PRPP）激活。

3. 咪唑甘油磷酸合成酶（HisH-HisF复合物）：

   • 功能：参与组氨酸生物合成。HisH是GATase亚基，为HisF（合酶亚基）提供氨，用于合成咪唑环。

4. CTP合成酶（CTPS）：

   • 功能：将UTP氨基化为CTP，是嘧啶核苷酸合成的关键调节点。利用谷氨酰胺或氨作为氮源。

   • 调控：受终产物CTP的反馈抑制。在多种生物中可形成调控性的细胞蛇结构。

5. GMP合成酶（GMPS）：

   • 功能：将XMP（黄苷一磷酸）氨基化为GMP，是鸟嘌呤核苷酸合成的最后一步。

临床意义与药物靶点

抗菌与抗寄生虫药物靶点

由于微生物与宿主在核苷酸合成通路上的差异，多种GATase是理想的药物靶点。

• 抗叶酸药物：如甲氨蝶呤、磺胺类药物，通过抑制四氢叶酸合成，间接影响依赖四氢叶酸的一碳单位转移，干扰了包括嘌呤、嘧啶合成在内的多个途径，其中涉及需要一碳单位的GATase下游反应。

• 谷氨酰胺类似物：如重氮氧化正亮氨酸（DON）、阿扎赛尔（Azaserine），作为谷氨酰胺的不可逆抑制剂，直接与GATase活性中心的半胱氨酸共价结合，抑制其活性。曾作为抗癌药研究，但因毒性较大。

抗癌药物靶点

快速增殖的癌细胞高度依赖核苷酸的从头合成。

• GPAT抑制剂：被研究用于治疗白血病和其他恶性肿瘤。

• CTP合成酶抑制剂：如地西他滨的代谢产物可部分抑制CTPS。抑制CTPS可导致核苷酸池失衡和DNA损伤。

• CAD复合物抑制剂：靶向嘧啶合成通路起始步骤。

自身免疫病治疗

• 来氟米特（Leflunomide）：其活性代谢产物特立氟胺（Teriflunomide）是二氢乳清酸脱氢酶（DHODH， 嘧啶从头合成第四步酶）的有效抑制剂。虽然DHODH本身不是GATase，但抑制嘧啶合成通路可影响淋巴细胞的增殖，用于治疗类风湿关节炎和多发性硬化。

研究方法

• 酶活测定：使用放射性或荧光标记的谷氨酰胺，检测产物生成。

• 结构生物学：X射线晶体学和冷冻电镜用于解析酶及其与抑制剂复合物的三维结构，揭示催化机制和氨通道。

• 基因敲除/敲低：在细胞或模式生物中研究特定GATase缺失的生理和病理后果。

参考文献

1. Zalkin, H., & Smith, J. L. (1998). Enzymes utilizing glutamine as an amide donor. Advances in Enzymology and Related Areas of Molecular Biology, 72, 87-144.

2. Raushel, F. M., Thoden, J. B., & Holden, H. M. (1999). The amidotransferase family of enzymes: molecular machines for the production and delivery of ammonia. Biochemistry, 38(25), 7891-7899.

3. Massière, F., & Badet-Denisot, M. A. (1998). The mechanism of glutamine-dependent amidotransferases. Cellular and Molecular Life Sciences, 54(3), 205-222.

4. Miles, B. W., et al. (1999). Molecular basis for the inhibition of glutamine amidotransferases by the anti-tumor drug L-alanosine. Journal of Biological Chemistry, 274(13), 8606-8612.

5. Roca, I., et al. (2018). The mechanism of the amidotransferase reaction: a review of structural and mutagenesis studies. Current Opinion in Structural Biology, 53, 178-187.

6. Holden, H. M., Thoden, J. B., & Raushel, F. M. (1999). Carbamoyl phosphate synthetase: an amazing biochemical odyssey from substrate to product. Cellular and Molecular Life Sciences, 56(5-6), 507-522.

7. Liu, J. L. (2016). The cytoophidium and its kind: filamentation and compartmentation of metabolic enzymes. Annual Review of Cell and Developmental Biology, 32, 349-372. （涉及CTP合成酶等可形成细胞蛇的酶）

8. Christopherson, R. I., Lyons, S. D., & Wilson, P. K. (2002). Inhibitors of de novo nucleotide biosynthesis as drugs. Accounts of Chemical Research, 35(11), 961-971.