頂復門原蟲γ-氨基丁酸代謝旁路研究進展

胡俊菁，戚南山，吳彩艷，李 娟，呂敏娜，林栩慧，于林增，張健騑，廖申權，孫銘飛

（廣東省農業科學院動物衛生研究所 廣東省畜禽疫病防治研究重點實驗室 農業農村部獸用藥物與診斷技術廣東科學觀測實驗站，廣州 510640）

頂復門原蟲是一大類細胞內寄生原蟲，包括瘧原蟲（Plasmodiumspp.）、剛地弓形蟲（Toxoplasma gondii）、隱孢子蟲（Cryptosporidiumspp.）、巴貝斯蟲（Babesiaspp.）和艾美耳球蟲（Eimeriaspp.）等多種重要病原體[1]。能量代謝是寄生原蟲生存所必須，頂復門原蟲在不同生活階段其寄生環境有所不同，獲取能量底物的種類、數量及能量代謝方式也存在差異[2]。胞內寄生原蟲可以利用多種途徑獲得能量，其內生發育階段主要處于低氧或無氧環境，糖酵解（glycolysis）是獲取能量的主要途徑之一，其次是利用多個途徑的代謝產物進入三羧酸循環（tricarboxylic acid cycle，TCA）產生ATP[3-5]。其中γ-氨基丁酸代謝旁路（γ-aminobutyric acid shunt，GABA shunt）作為TCA循環的補充途徑，為弓形蟲和瘧原蟲的生長、發育和繁殖提供能量儲備及部分碳骨架，具有重要的生物學意義[6-8]。本文對頂復門原蟲γ-氨基丁酸代謝途徑及其生物學作用進行綜述。

1 γ-氨基丁酸代謝旁路的研究

1.1 γ-氨基丁酸代謝旁路 γ-氨基丁酸是一種谷氨酸衍生的氨基酸，存在于動物、植物和微生物等各種生物中，可通過γ-氨基丁酸代謝旁路代謝為琥珀酸進入TCA循環，也可轉化為α-酮戊二酸進入TCA循環[9-10]。典型的γ-氨基丁酸代謝旁路是由谷氨酸脫羧酶（glutamate decarboxylase，GAD）、γ-氨基丁酸轉氨酶（GABA transaminase，GABA-T）和琥珀酸半醛脫氫酶（succinic semialdehyde dehydrogenase，SSDH）三種重要酶組成。其代謝過程為：谷氨酸在GAD催化下生成γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）；γ-氨基丁酸在GABA-T催化下，與丙酮酸發生轉氨作用生成琥珀酸半醛和丙氨酸；琥珀酸半醛在SSDH催化下氧化生成琥珀酸進入TCA循環。蟲體利用底物谷氨酸生成琥珀酸的代謝路徑構成TCA循環的一個側支，被稱為γ-氨基丁酸代謝旁路。

1.2 γ-氨基丁酸代謝旁路的生理功能 γ-氨基丁酸是一種廣泛存在于原核和真核生物的四碳非蛋白質氨基酸。γ-氨基丁酸通過γ-氨基丁酸代謝旁路參與大多數生物的重要代謝過程，在不同生物體中發揮不同的生理作用。血吸蟲具有發達的神經系統，含有大量的神經遞質，比如γ-氨基丁酸可作為神經系統的一種重要的抑制性神經遞質[11]。寄生原蟲靶向γ-氨基丁酸活性的化學治療藥物通過結合神經細胞或肌肉細胞的谷氨酸門控氯離子通道而發揮作用，而宿主的GABA受體僅存在于中樞神經系統，該系統有血腦屏障保護，因此此類治療藥物對哺乳動物宿主相對安全[12-13]。近年來，研究發現GABA廣泛存在于細菌、真菌、植物及哺乳動物中，因病原生物中GABA受體存在的位置與哺乳動物宿主存在顯著的差異，針對GABA的藥物被推薦用于治療感染性疾病[14]。γ-氨基丁酸參與微生物氮源和碳源的代謝，以及腐胺和精胺等多胺的代謝，并能夠對多種逆境脅迫產生應答，具有重要的生理功能[15]。植物中γ-氨基丁酸代謝旁路參與調節植物體內pH值、植物生長發育、碳/氮源營養平衡、逆境脅迫響應和信號傳遞等，植物γ-氨基丁酸在多種逆境條件（缺氧、冷害、機械刺激、干旱、鹽脅迫）大量積累，發揮多種生物學作用[16-17]。對頂復門原蟲如弓形蟲和瘧原蟲的研究發現，γ-氨基丁酸代謝旁路在蟲體入侵宿主細胞及有性生殖階段發揮重要的生物學作用[6-7,18]。

2 頂復門原蟲γ-氨基丁酸代謝旁路

頂復門原蟲可以利用谷氨酸作為碳源，為蟲體提供能量或中間代謝產物。最近的研究表明，頂復門弓形蟲具有完整的γ-氨基丁酸代謝旁路，谷氨酸經代謝轉化為琥珀酸進入TCA循環[7,9]；頂復門瘧原蟲具有部分的γ-氨基丁酸代謝，因缺乏琥珀酸半醛脫氫酶而不具備完整的γ-氨基丁酸代謝旁路，谷氨酸經代謝轉化為α-酮戊二酸進入TCA循環[19-22]。

2.1 弓形蟲的γ-氨基丁酸代謝旁路 研究表明弓形蟲具有完整的TCA循環，TCA循環和β-氧化是弓形蟲速殖子階段獲取能量的主要方式之一[7,9]。構建弓形蟲琥珀酸合成酶缺失株，發現缺失株速殖子的生長受到一定抑制。但谷氨酸代謝對速殖子的生長發育具有同樣重要的作用，推測γ-氨基丁酸代謝旁路主要為速殖子的快速繁殖、胞外溢出及入侵新的宿主細胞提供能量。研究進一步證實，這一時期弓形蟲顯著的減少用于形成膜脂的脂肪酸合成，減少對能量的消耗，以維持蟲體的增殖與入侵[23]。

弓形蟲利用γ-氨基丁酸代謝旁路將谷氨酸轉為γ-氨基丁酸，再經轉氨酶（SSDH）作用生成琥珀酸半醛。SSDH還可以利用丙酮酸或α-酮戊二酸作為底物進行轉氨作用（圖1）[1]。Blume等[24]發現弓形蟲的葡萄糖轉運蛋白缺失株在谷氨酸的存在條件下，可恢復滑行運動能力，證實蟲體可以利用谷氨酸代謝適應葡萄糖饑餓。抑制TCA循環可抑制速殖子的復制；而缺乏γ-氨基丁酸代謝旁路的蟲體則表現出生長衰退，因營養不足而無法維持活力的現象，表明GABA可作為短期的能量儲備[7,25]。TCA循環對于弓形蟲在宿主細胞內的復制是必要的，而γ-氨基丁酸代謝旁路則是能量的儲備，為弓形蟲的發育繁殖提供必需的能量需求。

圖1 弓形蟲γ-氨基丁酸代謝旁路模式圖[1]Fig.1 The schematic representation of GABA shunt in Toxoplasma gondii[1]

2.2 瘧原蟲的γ-氨基丁酸代謝旁路 瘧原蟲無性生殖期主要利用糖酵解途徑獲取能量，將葡萄糖降解為乳酸，僅有少量的丙酮酸經支鏈酮酸脫氫酶（branched-chain Ketoacid Dehydrogenase，BCKDH）轉化為乙酰輔酶A進入TCA循環[19]。丙酮酸進入TCA循環受谷氨酸代謝生成的α-酮戊二酸調控。因瘧原蟲缺失的琥珀酸半醛脫氫酶使得其γ-氨基丁酸代謝與弓形蟲的不同，γ-氨基丁酸轉化為α-酮戊二酸直接參與TCA循環（圖2）[19]。研究表明γ-氨基丁酸在瘧原蟲的有氧代謝中起到重要作用，可調控TCA循環。

瘧原蟲在配子生殖階段的能量獲得方式發生改變，以有氧代謝的TCA循環作為其獲取能量的主要方式[26-27]。此時，糖酵解途徑生成的丙酮酸與乙酰輔酶A是TCA循環的主要底物，這一現象表明在蚊子體內有性生殖階段需要大量的ATP以維持其發育。研究證實配子生殖期參與TCA循環的代謝酶上調，同時抑制這些代謝酶的活性可影響瘧原蟲的生長發育[18-19,28-29]。雖然TCA循環在無性繁殖期并不是必須的，但有性繁殖期TCA循環發揮重要的生物學作用，抑制BCKDH活性可顯著增強γ-氨基丁酸代謝通量。

圖2 瘧原蟲γ-氨基丁酸代謝模式圖[19]Fig.2 The schematic representation of GABA metabolism in Plasmodium falciparum[19]

2.3 其他原蟲的γ-氨基丁酸代謝旁路 近年來，研究表明γ-氨基丁酸代謝廣泛存在于原生動物中?？菔襄F蟲（Trypanosoma cruzi）的生活史復雜，包括脊椎動物、哺乳動物宿主和昆蟲載體寄生階段。因哺乳動物胞內與昆蟲腸道的內環境具有較大差異，蟲體進化了一套能量代謝方式以適應內環境變化。在葡萄糖存在情況下，上鞭毛體利用糖酵解獲得能量；而當葡萄糖缺失情況下，蟲體利用氨基酸代謝獲得能量[30-31]。此外，氨基酸代謝在枯氏錐蟲生長發育過程中起著多種作用，包括合成蛋白質和提供能量[32]。研究發現枯氏錐蟲在能量底物缺乏時，可以利用谷氨酸、谷氨酰胺及脯氨酸產生ATP，同時谷氨酸可以由谷氨酰胺、脯氨酸或組氨酸轉化提供，并且谷氨酰胺的吸收利用受谷氨酰胺合成酶的調控[33-34]，而γ-氨基丁酸的吸收利用是通過至今為止發現的唯一一個Na+依賴氨基酸轉運載體實現的[35]?？菔襄F蟲的γ-氨基丁酸代謝類似瘧原蟲，γ-氨基丁酸轉化為α-酮戊二酸的形式參與TCA循環，產生ATP。因此，在蟲體處于能量底物缺乏時，γ-氨基丁酸代謝對于維持蟲體的致病力及能量供應具有重要意義。

3 展望

近年來，γ-氨基丁酸代謝旁路在寄生蟲，尤其是頂復門原蟲中的生物學作用研究受到越來越多的關注。在弓形蟲和瘧原蟲中的研究取得了突破性進展，γ-氨基丁酸代謝旁路不僅為蟲體提供能量儲備，并且對蟲體的生長繁殖、致病力及適應不同寄生環境等起到重要作用，推測可從該旁路中的關鍵酶為生物靶點著手，尋找防治頂復門原蟲病的新方法。研究表明，該代謝途徑中的關鍵酶GAD是潛在的殺蟲、殺螨藥物靶標，L-蘋果酸是其抑制劑；GABA-T是哺乳動物中樞神經系統中的重要藥物靶點，用對羥基苯甲醛抑制GABA-T活性對治療癲癇病表現出了良好的效果，香草醛和原兒茶酸等均可有效抑制GABA-T的活性[36]。野黃芩苷元是SSDH的有效抑制劑?，F有的GAD、GABA-T和SSDH有效抑制劑的實驗數據為證明它們在頂復門原蟲上是否有成為藥物靶標的可能性提供了有效參考。目前對頂復門其他寄生原蟲γ-氨基丁酸代謝的研究僅限于在基因組數據中，發現和緩艾美耳球蟲（E. mitis）和犬新孢子蟲（Neospora caninum）γ-氨基丁酸轉運載體基因序列[37]，而對于γ-氨基丁酸代謝在其他原蟲的代謝途徑、生理意義、調控機制等仍不清楚，仍需要在生化、分子和細胞水平上對頂復門原蟲GABA代謝途徑進行深入研究，為寄生性原蟲疾病的防治奠定一定的理論基礎。