精氨琥珀酸合酶（ argininosuccinate synthase 1,Ass1） 能夠催化瓜氨酸和天冬氨酸形成精氨琥珀酸，在精氨琥珀酸裂解酶（ argininosuccinate lyase,Asl）的作用下，生成精氨酸。精氨酸通過精氨酸酶水解生成尿素和鳥氨酸，鳥氨酸既可以被鳥氨酸脫羧酶代謝，生成多胺； 也可以在鳥氨酸轉氨酶作用下重新生成瓜氨酸，形成尿素循環； 另外，精氨酸還可以通過一氧化氮合酶（ nitric oxide synthase,NOS） 作用生成一氧化氮（ nitric oxide,NO） 和瓜氨酸，形成瓜氨酸---一氧化氮循環。因此，Ass1 是生成精氨酸、尿素和 NO 的關鍵限速酶。根據精氨酸的代謝途徑不同，Ass1 在組織中表達水平也是不同的。本篇綜述主要就 Ass1 在不同組織中的表達定位、表達調節及生理和病理功能進行闡述。

一、Ass1 的生化結構

Ass1 為編碼精氨琥珀酸合酶的基因，位于第 9號染色體。Ass1 由同源四聚體構成，包含 412 個氨基殘基。比較 cDNA 序列發現，Ass1 在人、牛、大鼠和小鼠中高度同源。它能催化瓜氨酸與天冬氨酸在ATP 的作用下生成精氨琥珀酸。人的 Ass1 結構包含三個主要部分： 核苷酸結合部分、合成酶部分及多聚化的螺旋 C 端。對瓜氨酸血癥的病人研究發現，Ass1 有多種突變位點。大多數位點突變后會破壞它們與周圍單體形成二聚體或使它們與周圍單體的作用缺失，導致構象改變和電子的重新分布。此外，一些突變位點是直接與底物結合（ 如 Gln40（ Leu） 和Arg127（ Gln） ） ,并很可能對催化活性起直接作用。

還有一些位點突變（ 如 Val345（ Gly） ） ,使得一些和瓜氨酸相互作用的區域和大部分寡聚化區域缺失，使蛋白不能正確的折疊。

二、Ass1 的表達定位

Ass1 早期發現于肝細胞中。在成年大鼠的肝和腎中表達量和酶活性最高，而在小腸組織中表達量較低； 相反，Ass1 在大鼠胎兒的小腸中表達量最高。在出生時，Ass1 表達水平已達到成年大鼠的一半，隨后在發育過程中迅速增加，這種表達趨勢和人類似。在大鼠的肝中，Ass1 主要表達在門靜脈周圍的肝細胞，而在其他地方肝細胞中表達量較低。在正在發育的大鼠小腸中，Ass1 主要定位在小腸絨毛上，而在絨毛之間的部位表達較少。但 Ass1 這種分區表達可能是物種依賴性的，因為在人的肝細胞中還沒有分區表達報道。

Husson 等 （ 2003 ） 發現 Ass1 在多種細胞中表達，如牛的動脈內皮細胞，小鼠和大鼠的巨噬細胞，大鼠和人的胰臟細胞，大鼠血管平滑肌細胞，甚至在大鼠的眼細胞、神經膠質細胞和神經元中均有發現。這些發現顯示了 Ass1 是一種廣泛表達的酶。進一步對 Ass1 的亞細胞定位研究顯示，不同類型細胞中 Ass1 的亞細胞定位不同。肝細胞中部分Ass1 分布于線粒體的外膜，并且這種分布在發育過程中是變化的。在大鼠胎兒的肝細胞中，有 90% 的Ass1 分布于線粒體，而成年大鼠的肝細胞中只有30% 的 Ass1 分布在線粒體。在牛的動脈內皮細胞中，Ass1 定位于質膜周圍。而在腸上皮細胞或者腎小管細胞中，Ass1 分布于胞質中。Ass1 的不同亞細胞定位可能與它發揮的生理功能相關。

三、Ass1 的表達調節

Ass1 是一種廣泛表達的酶，它的表達與組織、細胞的類型有關。Ass1 的表達受到一些刺激物如激素、炎癥因子、細胞因子、脂多糖（ lipopolysaccha-ride,LPS） 等調節。這些刺激物主要是從轉錄水平和轉錄后水平調節 Ass1 的表達和酶活性。

（ 一） 轉錄水平調節 人的 Ass1 啟動子 5‘端800bp 有 1 個 TATA 區、六個 Sp1 結合位點、和 1 個AP2 結合位點。但僅僅只有 3 個 GC boxes 能結合Sp1,形成 Sp1-DNA 結構，增強啟動子的轉錄活性。

一些啟動子功能研究和突變小鼠的模型分別集中在對環腺甘酸應答元件結合蛋白（ cAMP response ele-ment-binding protein,CREBP） 和 CCAAT / 增強子結合蛋白 α （ CCAAT/enhancer-binding protein α，C/EBP α） 的研究。組織特異清除者 1 （ tissue-specificextinguisher locus,Tse-1 ） 編碼蛋白激酶 A （ proteinkinase A,PKA） 的調節亞基 R1α，而 CREBP 是 Tse-1 抑制的靶基因，Tse-1 可能通過抑制 CREBP 來抑制 Ass1 在肝細胞中的表達。Guei 等（ 2008） 利用DNaseⅠ高敏感位點圖譜鑒定方法，在 Ass1 的轉錄起始位點上游的 10kb 上，鑒定出一個 cAMP 反應元件（ CRE） .此外，對 7 號染色體上敲除白化病基因座的純合小鼠的研究發現，肝臟中 Ass1 的轉錄水平下降，主要是由于 C/EBPα 的表達受到抑制。而且，在 C/EBPα 敲除的鼠中，肝功能紊亂，尿素生成受到抑制。在這些小鼠中，Ass1 mRNA 水平降低。因此，C/EBPα 可能調節 Ass1 基因的表達，但在 C/EBPβ 敲除的鼠中沒有發現類似結果。Tsai 等認為Ass1 啟動子上近端區域也包含一個 E-box 區和一個GC box 區。在精氨酸缺失條件下，c-myc 結合到 E-box 區，Sp4 與 GC box 區結合，這種結合對 Ass1 表達具有正調控作用，而在正常條件下，缺氧誘導因子1a（ hypoxia-inducible factor 1-alpha,HIF1α） 結合到E-box 區，對 Ass1 表達具有負調控作用.一些其它的轉錄因子，如肝核因子 1（ hepatic nuclear factor1,HNF1） 、激活轉錄因子 2 （ activating transcriptionfactor 2,ATF2 ） 、激活轉錄因子 4 （ activating tran-scription factor 4,ATF4 ） 、核因子-kappa b （ nuclearfactor-kappa b,NF - κB） 、過氧化物酶體增生物激活受 體 （ peroxisome proliferator-activated receptor,PPRE） 都對 Ass1 的調控中發揮重要的作用。此外，在某些腫瘤細胞中，Ass1 的啟動子上 CpG 島發生甲基化，在轉錄水平上沉默了 Ass1 的表達.

（ 二） 轉錄后水平調節
1. 5' UTR 區調節： 肝臟是尿素生成的重要部位，內皮細胞是 NO 產生的重要部位，對肝臟和內皮細胞中 Ass1 5'UTR 序列研究發現，兩者除了共有一段距離轉錄起始位點 43 個核苷酸片段以外，內皮細胞中表達的 Ass1 的 5'UTR 序列中還增加了一段重疊的核苷酸序列，距離轉錄起始位點 66 到 92 個堿基，使得 5'UTR 區呈多態性。Laura 等（ 2005） 進一步研究發現，內皮細胞中的 Ass1 的 5' UTR 序列所含的上游開放閱讀框可以調節其在內皮細胞中的表達。過表達上游開放閱讀框抑制 Ass1 蛋白的翻譯，特異性的沉默上游開放閱讀框能上調 Ass1 蛋白和 NO的水平。

2. 磷酸化和亞硝酸化調節： Ass1 的表達和酶活性是生成 NO 的關鍵因素。在血管內皮細胞中，蛋白激酶 C-α（ protein kinase C alpha,PKCα） 磷酸化Ass1 328 位絲氨酸位點，調節 Ass1 酶活性，促進 NO的產生.然而，Laura 等（ 2005） 在體內和體外的一些實驗表明，過多的 NO 會導致 Ass1 的 Cys-132位點發生 S-亞硝基化，在翻譯后水平上抑制了 Ass1的酶活性，減少精氨酸的生成，限速了 NO 的產量。

四、Ass1 的生理和病理功能

Ass1 在不同組織細胞中的表達決定了其不同的生理功能。在肝臟中表達的 Ass1,主要功能是通過尿素循環，將體內產生的氨轉換為尿素，是氨解毒的重要途徑。在腎皮質中表達的 Ass1 主要為整個機體提供精氨酸。而在許多其他類型的細胞中，Ass1 生成的精氨酸用于 NO 的合成。目前，Ass1 在腫瘤治療、NO 生成、糖尿病的治療、經典瓜氨酸血癥中進行了大量的研究。

（ 一） 與腫瘤治療 Ass1 是生成精氨酸的限速酶，Ass1 的失調導致精氨酸含量的改變。精氨酸又是激發多種代謝途徑的前體物質，除了用于蛋白質的合成，還用于 NO、多胺、尿素、核酸、肌酸、脯氨酸、谷氨酸和精胺的合成。精氨酸和這些下游分子共同參與了腫瘤的生長、增殖、侵入、免疫、轉移和血管生成。對含有編碼癌癥基因的小鼠或者移植腫瘤的小鼠喂食精氨酸，能增加腫瘤生長，在飼料中缺失精氨酸，可以抑制肝臟的腫瘤轉移。Szlosarek 等（ 2007） 研究卵巢癌中發現，腫瘤壞死因子-α（ tumornecrosis factor - alpha,TNF-α） 與 Ass1 表達共定位，并誘導 Ass1 高表達，這種現象也發現在非小細胞肺癌和胃癌中，Ass1 的高表達可能是為了滿足癌細胞對精氨酸代謝的需求。TNF-α 對 Ass1 的調節為炎癥和代謝之間提供了重要的分子途徑。然而在黏液纖維肉瘤中，Ass1 的啟動子發生表觀遺傳學調控，沉默了 Ass1 的表達，導致精氨酸營養缺陷，出現順鉑耐受的現象.Ass1 表達越少，腫瘤的級別和階段越高。Ass1 表達的缺失，可能是機體抵抗惡性腫瘤的自我防御保護。這些腫瘤由于自身不能生成精氨酸，而依賴于體外精氨酸的供給獲得生長，因而只要降解體外獲得的精氨酸就能促進腫瘤細胞的凋亡。臨床上使用 arginine deiminase（ ADI-PEG 20） ,導致 Ass1 甲基化的細胞激活 BAX 信號通路，誘導細胞凋亡，這種方法在精氨酸營養缺陷的腫瘤中如肝癌、骨肉瘤、惡性黑色素瘤中起到了很好的治療效果.但在治療一些黑色素瘤等腫瘤中會出現 ADI耐受的現象，這是由于一方面精氨酸的缺失，誘導腫瘤細胞發生自體吞噬，重新利用胞內的精氨酸存活；另一方面，ADI-PEG20 激活 Ras /PI3K/ERK 信號通路，誘導 c-Myc 穩定的表達，促進 Ass1 表達上調.

對于 ADI 耐受的動物模型，一般采用 PI3K 抑制劑和 ADI-PEG20 聯合治療，效果比單獨使用其中一種藥物要顯著的多。目前，對于一些 Ass1 低表達的腫瘤，可以判斷為是精氨酸營養缺陷型腫瘤，降低這些腫瘤中精氨酸的含量已被認為是藥理學發展的潛在治療目標。

（ 二） 對 NO 合成的作用 Ass1 也是 NO 生成中的關鍵限速酶。NOS 利用精氨酸作為底物，將其轉換成瓜氨酸和 NO.過表達 Ass1 可以促進 NO 的產生.此外，Ass1 的動態磷酸化水平影響了血管內皮 NO 的產生.在血管內皮細胞中，使用 siAss1干涉后，誘導細胞凋亡，當加入 NO 供體后，能夠抑制由于 Ass1 表達過低而導致的細胞凋亡。因而，Ass1 對內皮細胞 NO 的產生和保護細胞活性都是非常重要的。在這些細胞中，加入 Ass1 的產物精氨酸可以促進血管生成蛋白血管內皮生長因子（ vascularendothelial growth factor,VEGF） 、前列腺素 E2（ pros-taglandin E2,PGE2） 、基質金屬蛋白酶 2（ matrix met-alloproteinase-2,MMP2） 、CD51、CD61 的表達。當在此基礎上添加 NOS 抑制劑后，這些血管生成的蛋白降低到低濃度精氨酸處理的水平.因此，可以推測 Ass1 是通過其產物精氨酸生成 NO 參與血管蛋白的表達。在神經干細胞中神經型一氧化氮合酶（ neuronal nitric oxide synthase ,nNOS） 與 Ass1 共定位，促進神經干細胞的分化。LPS 和 TNF-γ 聯合處理大鼠小神經膠質細胞，能誘導 Ass1 和誘導型一氧化氮合酶（ inducible nitric oxide synthase,iNOS） 的共表達。這種作用也被發現在體內給大鼠注射 LPS后，多種組織包括心，腎，肺和脾都有 Ass1 和 iNOS的共誘導。層流剪切應力是產生脈動血流，保證血管健康的重要因素，它也可以促進 Ass1 和內皮型一氧化氮合酶（ endothelial nitric oxide synthase,eNOS）的表達，增加 NO 的產生,而 NO 是血管健康所必需的，可以抑制血管細胞表面粘附分子 VCAM-1 的表達，阻止炎癥單核細胞粘附到內皮細胞上。

（ 三） 糖尿病 血管內皮細胞 NO 含量降低是糖尿病發病機制的一個主要因素。糖尿病病人內皮細胞功能失調，同時血清中 TNF-α 含量增加。Good-win（ 2007） 研究發現 TNF-α 不僅抑制 eNOS 的表達，同時協調性的抑制 Ass1 在動脈內皮細胞的表達，導致嚴重的瓜氨酸-NO 循環受損，進而損傷內皮細胞的活性。STZ 誘導的大鼠糖尿病冠狀內皮細胞中，Ass1 的表達量降低，補充胰島素，可以恢復降低的Ass1 的表達水平，促進 NO 的生成。這個實驗在培養的血管內皮細胞中也得到驗證.此外，一些證據顯示，飲食中補充精氨酸，可以減輕先天性肥胖大鼠、飲食誘導的糖尿病大鼠、2 型糖尿病人的肥胖癥，但具體的作用機制是復雜的。精氨酸可能通過增強細胞信號分子的合成（ 如 NO、CO、多胺、cGMP和 cAMP） 和促進葡萄糖、脂肪發生氧化作用的基因產生，刺激線粒體中的物質合成以及棕色脂肪組織的發育，改變能量攝入和消耗的平衡，更利于脂肪消耗和減少白色脂肪組織.

（ 四） 精氨琥珀酸缺失癥 目前，至少有 22 種已知的 Ass1 基因突變造成的精氨琥珀酸缺失癥（ ASD） .基因突變包含錯義突變，無義突變，外顯子突變。這些突變造成尿素循環失調，引起氨和其他有毒物質在血液中累積，形成經典的瓜氨酸血癥，容易引起較高的胎兒發病率和死亡率。Ass1 缺失的小鼠，其表型非常類似于人的經典的瓜氨酸血癥，表現出生長停滯，在出生后 24 小時或 48 小時內死亡。

大約 20 年前，就有了基因移植的治療方案。使用攜帶人的 Ass1 cDNA 逆轉錄病毒注射小鼠，小鼠可以長期表達人的 Ass1 基因，并且這種方案已經可以延長經典瓜氨酸血癥的小鼠壽命，并提高了小鼠的體重.通過對瓜氨酸血癥的新生牛注射表達人的Ass1 的腺病毒，也可以部分恢復 Ass1 的酶活性。目前，根據激活消耗氮的排泄物的途徑設計出特殊的治療 ASD 的方案，研發出一些藥物。然而，這些藥物盡管提高了存活率，但這些病人仍然有神經衰退，生長遲緩的現象和有高氨血癥發作的風險.

五、結語與展望

大約 50 年前，發現 Ass1 是肝臟中特異表達的酶，現在發現它是一種廣泛存在的酶。作為生成精氨酸的限速酶，Ass1 在機體內的表達和調節對精氨酸的合成以及精氨酸的代謝途徑有重要意義。不同的調控機制決定著 Ass1 在組織、細胞中的表達差異，也決定著 Ass1 的不同的生理功能。除了參與精氨酸合成，瓜氨酸-尿素循環，瓜氨酸-NO 循環外，在某些腫瘤、糖尿病的發生和治療以及經典的瓜氨酸血癥治療中也起重要的作用。因此，深入研究 Ass1在不同組織中的表達調控和生理及病理作用，都是今后重要的發展方向。