综述：谷氨酸-谷胱甘肽轴在神经精神疾病与癌症中：从共享机制到无创生物标志物

《Redox Biology》：The Glutamate–Glutathione Axis in Neuropsychiatric Disorders and Cancer: From Shared Mechanisms to Non-Invasive Biomarkers

谷氨酸是中枢神经系统中最丰富的兴奋性神经递质，也是体内一种关键的非必需氨基酸。它在维持神经系统兴奋-抑制平衡、调节全身代谢稳态以及参与免疫调节中起着核心作用。此外，它还是谷胱甘肽合成的前体。谷胱甘肽是生物体内一种重要的抗氧化和解毒分子，能够直接清除活性氧（ROS）或有毒代谢物。谷胱甘肽功能障碍与氧化应激相关疾病有关。鉴于谷氨酸和谷胱甘肽在生理和病理状态下的关键作用，本文旨在系统地阐述谷氨酸与谷胱甘肽之间的代谢相互作用，此处称为谷氨酸-谷胱甘肽轴，作为一个基于已确立生物化学的综合概念框架。通过详细描述谷氨酸和谷胱甘肽的代谢相互作用，本综述探讨了它们相互影响的机制。此外，本文总结了谷氨酸-谷胱甘肽轴内的相关信号通路和调控机制，阐明了其在疾病发病机制中的关键作用，特别聚焦于神经精神疾病和癌症。最后，本文旨在综述使用磁共振成像（MRI）检测谷氨酸和谷胱甘肽的非侵入性方法，并介绍了研究人员（原文为“我们”）的专用序列。该方法旨在为相关疾病的早期诊断、疗效评估和治疗靶点开发提供一个有价值的无创成像工具。通过整合基础代谢网络、分子调控机制、疾病关联和临床检测技术，本综述旨在建立谷氨酸-谷胱甘肽轴的研究框架，推动该领域从基础研究到临床应用的更深入融合与进步。

1. 谷氨酸与GSH的代谢网络：从生物合成到相互转换

1.1. γ-谷氨酰循环：中心代谢枢纽

γ-谷氨酰循环是连接谷氨酸与GSH代谢的核心代谢相互作用。谷胱甘肽（GSH）被释放到细胞外，胞外酶γ-谷氨酰转移酶（GGT）催化将其γ-谷氨酰基团转移给一个受体氨基酸，形成γ-谷氨酰-氨基酸和半胱氨酰甘氨酸。γ-谷氨酰-氨基酸可被转运回细胞内并进一步代谢，释放出氨基酸和5-氧脯氨酸，后者可转化为谷氨酸重新用于GSH合成。同时，半胱氨酰甘氨酸被二肽酶水解为半胱氨酸和甘氨酸。在氧化应激条件下，特别是在代谢活跃的肿瘤细胞中，GGT表达显著上调。c^-: glutamate/cystine antiporter)">在生理条件下，γ-谷氨酰循环有助于调节细胞内氨基酸稳态和氧化还原平衡。在神经系统疾病中，该循环通过调节GSH水平来影响氧化应激和神经炎症，同时也可能导致谷氨酸兴奋性毒性，加剧神经元损伤。在癌症中，该循环通过调节GSH代谢支持肿瘤细胞存活，增强对抗氧化应激的能力，从而促进肿瘤进展和治疗抵抗。

1.2. 谷氨酸的代谢

谷氨酸的生物合成主要通过以下途径：1）来自葡萄糖衍生的α-酮戊二酸（α-KG）；2）来自谷氨酰胺（通过谷氨酰胺酶GLS水解）；3）来自天冬氨酸；4）来自丙氨酸。神经元和星形胶质细胞通过谷氨酸/γ-氨基丁酸（GABA）-谷氨酰胺循环密切协作，这是维持谷氨酸稳态的关键过程。在该循环中，谷氨酰胺是谷氨酸的前体，由星形胶质细胞合成并释放，被神经元摄取以补充谷氨酸和GABA池。谷氨酸脱羧酶催化谷氨酸脱羧生成GABA。GABA随后通过GABA支路（GABA shunt）分解代谢，最终以琥珀酸进入三羧酸（TCA）循环。突触释放后，谷氨酸主要由星形胶质细胞通过兴奋性氨基酸转运蛋白（EAAT）摄取清除。星形胶质细胞专门表达谷氨酰胺合成酶，将谷氨酸转化为谷氨酰胺。因此，谷氨酸/GABA-谷氨酰胺循环代表了大脑中主要的代谢流，清晰地说明了神经元和星形胶质细胞在调节谷氨酸中的相互作用。

1.3. GSH的代谢

GSH的合成通过两个连续的ATP依赖步骤：首先，谷氨酸的γ-羧基和半胱氨酸在谷氨酸-半胱氨酸连接酶（GCL）催化下连接形成γ-谷氨酰半胱氨酸。随后，GSH合成酶（GS）催化γ-谷氨酰半胱氨酸的羧基与甘氨酸的氨基连接，生成GSH。GCL是异二聚体酶，包含一个73 kDa的催化亚基（GCLC）和一个31 kDa的调节亚基（GCLM）。作为GSH合成的第一个限速酶，GCL活性受细胞内GSH水平的负反馈调节和氧化应激下的正反馈调节。GS是第二个限速酶，其活性可被氧化应激增强，但不受细胞内GSH水平抑制。GSH的合成高度依赖于半胱氨酸的可用性。细胞外胱氨酸/半胱氨酸（Cys/CySS）氧化还原对是细胞半胱氨酸供应的主要决定因素：细胞外胱氨酸通过系统X_c^-转运蛋白导入，在细胞内还原为半胱氨酸，并进入GSH合成。因此，对于大多数细胞类型，半胱氨酸的导入（而非谷氨酸的可用性）是GSH产生的限速步骤。GSH存在于不同的亚细胞区室，各池功能独立：约80-85%在细胞质，10-15%在线粒体，其余在内质网。线粒体GSH对线粒体氧化还原稳态和抗凋亡保护至关重要，而内质网定位的GSH通过蛋白质二硫键异构酶（PDI）活性控制氧化蛋白折叠。GSH还在蛋白质巯基氧化还原调节中通过S-谷胱甘肽化（即GSH可逆结合到反应性蛋白质半胱氨酸残基）发挥核心作用。细胞内GSH稳态主要通过氧化还原循环维持：GSH作为电子供体，在谷胱甘肽过氧化物酶催化下还原过氧化物为H₂O，自身被氧化为氧化型谷胱甘肽（GSSG）。GSSG随后在谷胱甘肽还原酶作用下利用烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）作为辅因子还原为GSH，从而维持高GSH/GSSG比，保护细胞免受氧化应激损伤。除了氧化还原循环，GSH稳态还涉及两种机制不同的酶促过程：1）通过GGT的细胞外GSH水解；2）通过谷胱甘肽S-转移酶（GST）的细胞内GSH结合。特别是谷胱甘肽S-转移酶P（GSTP）亚型，作为氧化还原信号传导的中心枢纽，通过两种互补机制运作：（a）依赖于结合的亲电试剂解毒；（b）催化蛋白质S-谷胱甘肽化，这是响应氧化和亚硝化应激的可逆GSH加成反应，调节蛋白质结构和功能。

1.4. 谷氨酸与GSH之间的相互转换

1.4.1. 谷氨酸作为GSH合成的前体

如前所述，谷氨酸和半胱氨酸在GCL作用下连接形成γ-谷氨酰半胱氨酸，然后与甘氨酸结合合成GSH。从谷氨酸合成GSH的能力根据细胞需求动态调节。在大脑中，神经元主要通过谷氨酸/GABA-谷氨酰胺循环获取谷氨酸。在氧化应激期间，该循环增强，优先将谷氨酸导向GSH合成而非神经递质通路，从而升高神经元GSH水平以抵抗氧化损伤。星形胶质细胞富含GS，促进谷氨酸向GSH转化，并向神经元释放二肽半胱氨酰甘氨酸。这一过程建立了一个“神经元-胶质细胞”协作抗氧化系统，为神经元提供GSH合成的直接前体，增强其整体抗氧化能力。

1.4.2. GSH降解与谷氨酸再循环

GSH可通过特定的酶促反应降解为更简单的代谢物。如1.1节所述，GGT介导的γ-谷氨酰键水解启动了细胞外γ-谷氨酰循环，最终将半胱氨酸、甘氨酸和谷氨酸回收到细胞内用于新的GSH合成。值得注意的是，在谷氨酸-谷胱甘肽轴的背景下，GGT活性代表了从输出的GSH再生谷氨酸的重要途径。这种GGT催化的GSH降解具有多种功能：调节细胞内GSH水平以维持氧化还原稳态；提供可进入其他代谢途径的谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸，供应必需氨基酸；通过促进外源性和内源性毒素的清除支持细胞解毒。GSH的合成和降解构成了一个动态平衡。通过调节GSH水平，细胞维持其氧化还原状态并抵御氧化应激。在神经元脑代谢背景下，有假说提出GSH在特定病理条件下（当GSH周转加速时）可能充当谷氨酸稳态的条件性缓冲池。其机制基础在于γ-谷氨酰循环的结构：因为GSH在组成上三分之一是谷氨酸，在神经元中以毫摩尔浓度存在且半衰期相对较短，药理学抑制从该循环中释放谷氨酸的酶（GGT和OPLAH）可将细胞内神经元谷氨酸水平降低25-50%，并抑制原代皮层神经元的微小兴奋性突触后电位（mEPSC）频率，而抑制GSH生物合成则具有相反效果——升高胞质谷氨酸并增强mEPSC频率。值得注意的是，当谷氨酰胺-谷氨酸穿梭受到药理学干扰时，谷胱甘肽循环也被证明能够补偿胶质细胞来源的谷氨酰胺的减少，这表明它可能是在代谢应激条件下维持突触谷氨酸供应的次级储备。然而，这仍然是一个工作假说，而非体内确立的机制。经典的代谢证据更可靠地支持谷氨酸维持GSH合成的方向，而非相反。实际上，在神经元中，半胱氨酸（而非谷氨酸）是GSH合成的限速底物，神经元GSH水平主要由通过EAAC1转运蛋白的半胱氨酸可用性决定，而非细胞内谷氨酸供应。上述潜在的双向性可能与脑组织中最相关，在脑组织中严格控制细胞外谷氨酸至关重要，特别是在涉及GSH缺乏和谷氨酸能失调的神经精神疾病中，值得进一步实验研究。

2. 调控谷氨酸-GSH轴的信号通路

调控谷氨酸和GSH代谢的信号通路并非孤立运作，而是形成一个相互连接的调控网络，其中多个转录因子汇聚于共享的启动子元件，相互交叉调节，并表现出细胞类型和背景依赖的相互作用。这些通路对GSH合成的净效应取决于激活信号和抑制信号之间的平衡。级联放大机制（即过量谷氨酸触发ROS生成，从而消耗GSH并进而损害谷氨酸转运蛋白）也构成了代谢与信号传导之间调控串扰的一种形式。

2.1. 谷氨酸与GSH之间的级联放大

谷氨酸与GSH之间的相互作用可能是一个恶性的放大循环。由于过量释放或摄取减少而导致的细胞外谷氨酸水平升高，可能引起神经元和星形胶质细胞上谷氨酸受体的过度激活，并导致这些细胞内的细胞内钙浓度升高。其结果是，几种钙依赖性酶可能以不受控制的方式被激活，导致细胞死亡。活性氧（ROS）是这些酶过程的副产物和介质，随后消耗GSH。此外，ROS氧化蛋白质，如神经元和胶质谷氨酸转运蛋白。这种氧化损害谷氨酸再摄取，进一步促进细胞外谷氨酸积聚。这些事件共同强化了兴奋性毒性和氧化损伤的恶性循环。

2.2. 调控信号通路

2.2.1. Nrf2信号通路

核因子E2相关因子2（Nrf2）是控制细胞抗氧化防御系统的关键转录因子。它通过与下游靶基因启动子区域中的抗氧化反应元件（ARE）结合，调节包括参与GSH合成的基因在内的众多抗氧化基因的表达。在基础条件下，Kelch样ECH相关蛋白1（Keap1）作为Cullin3 E3泛素连接酶复合体的衔接蛋白，结合Nrf2并靶向其进行泛素介导的蛋白酶体降解，从而抑制抗氧化基因表达并将Nrf2隔离在细胞质中。在氧化应激下，ROS修饰Keap1上的特定半胱氨酸残基，诱导构象变化，破坏其结合Nrf2的能力。这种稳定化使Nrf2能够易位进入细胞核，在那里与小Maf蛋白（sMaf）形成异二聚体并结合ARE。这种激活上调了GSH合成相关基因的表达，特别是GCLC和GS，从而增强GSH的产生。磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B（PI3K/AKT）信号通路也促进Nrf2核转位。抑制PI3K/AKT信号会降低Nrf2转录活性，而过表达组成型活性AKT则会增强其活性。

2.2.2. AP-1信号通路

激活蛋白1（AP-1）是由Fos和Jun蛋白组成的异二聚体转录因子，结合于称为TPA反应元件（TRE）的特定DNA序列。人类GCLC和GCLM基因的启动子区域存在多个TRE结合位点。研究表明，TRE元件参与调节GCL基因的基础和诱导表达。c-Jun的磷酸化对于TRE介导的GCL诱导至关重要。研究表明，抑制c-Jun N-末端激酶（JNK）可降低c-Jun磷酸化水平，继而阻断GCL诱导以及c-Jun与TRE位点的结合。在氧化应激下，AP-1和Nrf2可以协同作用：两条通路同时被激活，由于GCL启动子同时含有TRE和ARE元件，从而对GCLC/GCLM提供叠加的转录上调。

2.2.3. NF-κB信号通路

核因子-κB（NF-κB）是一个参与多种生物过程（包括炎症反应、免疫调节和细胞存活）的关键转录因子。在其非活性状态下，NF-κB（最常见为p50/p65异二聚体）通过与抑制蛋白IΚβ相互作用被隔离在细胞质中。在氧化还原失衡条件下，升高的ROS可以激活上游激酶，如TGF-β激活激酶1（TAK1）或直接修饰IκB激酶（IKK）复合体（由催化亚基IKKα和IKKβ以及调节亚基IKKγ组成）。IKKβ亚基的激活导致IΚβ磷酸化，从而触发其泛素化和随后的蛋白酶体降解。IΚβ的降解释放NF-κB，使其易位进入细胞核，启动下游靶基因的转录，包括GCLC和GCLM，从而促进GSH合成。相反，IKKβ表达减少会抑制NF-κB激活，削弱其与GCLC/GCLM启动子区域的结合，从而下调其表达。重要的是，NF-κB和Nrf2之间的关系是背景依赖的：在急性氧化应激的正常细胞中，它们协同作用以放大抗氧化反应；在具有组成型NF-κB激活的癌细胞中，NF-κB可以独立于Nrf2驱动GSH合成，导致化疗耐药。

2.2.4. 谷氨酸/胱氨酸反向转运系统

谷氨酸/胱氨酸反向转运系统（系统X_c^-）由催化亚基SLC7A11和调节亚基SLC3A2组成，是抵御氧化应激的主要防御机制。该反向转运蛋白促进细胞内谷氨酸与细胞外胱氨酸的交换。进入细胞后，胱氨酸迅速还原为半胱氨酸，后者是GSH合成的关键前体。研究表明，激活转录因子3（ATF3）通过结合其启动子来抑制SLC7A11转录，从而限制GSH合成。相反，Nrf2（抗氧化反应的关键转录调节因子）通过结合其启动子内的ARE来增强SLC7A11表达，从而促进GSH合成。

2.2.5. TGF-β/Smad信号通路

经典的TGF-β/Smad信号通路通常激活基因转录。然而，在特定背景下，TGF-β发挥抑制作用。核心机制涉及TGF-β受体激活导致Smad3磷酸化，促进Smad3/Smad4复合体的形成和核转位。该复合体不直接结合基因启动子，而是诱导转录抑制因子ATF3的表达。ATF3随后作为效应子，直接结合基因启动子区域并募集共抑制复合体以抑制基因转录。基于此机制，研究表明TGF-β1激活Smad3/Smad4复合体，上调ATF3表达，从而减弱Nrf2信号传导。在GSH合成中，TGF-β1上调的ATF3竞争性地结合ARE，抑制Nrf2转录活性。这导致Nrf2靶基因GCL的表达减少，GSH合成降低，最终降低细胞抗氧化能力并伴随ROS积聚。值得注意的是，在此过程中TGF-β1本身并不影响Nrf2蛋白水平。

2.2.6. p53信号通路

p53基因因其在促氧化和抗氧化功能中的双重作用，长期以来被视为基因组的守护者。在相对较低的表达水平，p53诱导其靶基因p21，后者竞争性地结合Keap1。这种相互作用破坏了Keap1介导的Nrf2泛素化和降解，从而稳定Nrf2蛋白，增强其核转位，并促进细胞保护基因的表达以支持细胞存活。相反，在高p53表达条件下，p53直接与Nrf2相互作用形