IDH1/2基因突變與神經(jīng)膠質(zhì)瘤關(guān)系研究進(jìn)展

張耀 茹懿 李霞* 林偉*

(第四軍醫(yī)大學(xué)：1西京醫(yī)院神經(jīng)外科；2基礎(chǔ)部生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室，陜西 西安 710032)

·綜述·

*通訊作者：林偉，副教授、副主任醫(yī)師，碩士生導(dǎo)師，E-mail: linwei@fmmu.edu.cn；李霞，副教授，碩士生導(dǎo)師，E-mail:lixia@fmmu.edu.cn

IDH1/2基因突變與神經(jīng)膠質(zhì)瘤關(guān)系研究進(jìn)展

張耀1茹懿2李霞2*林偉1*

(第四軍醫(yī)大學(xué)：1西京醫(yī)院神經(jīng)外科；2基礎(chǔ)部生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室，陜西 西安 710032)

神經(jīng)膠質(zhì)瘤; 異檸檬酸脫氫酶; 突變; 2-羥基戊二酸; 腫瘤代謝

神經(jīng)膠質(zhì)瘤是中樞神經(jīng)系統(tǒng)最為常見的原發(fā)性腫瘤，多數(shù)膠質(zhì)瘤呈侵襲性生長，其高復(fù)發(fā)率、高致殘率以及高死亡率嚴(yán)重威脅著人類健康，近幾年針對膠質(zhì)瘤的治療技術(shù)雖有很大程度的提高，但是治療效果并不十分理想。2008年，Parsons等[1]對20 661個蛋白質(zhì)編碼基因進(jìn)行高通量表達(dá)分析研究，首次發(fā)現(xiàn)在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中約有12%發(fā)生了異檸檬酸脫氫酶1(isocitrate dehydrogenase 1, IDH1)的基因突變，隨后，更多學(xué)者進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)IDH1/2突變作為預(yù)后良好標(biāo)志普遍存在于Ⅱ級和Ⅲ級膠質(zhì)瘤以及繼發(fā)性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤，并在腫瘤的發(fā)生、發(fā)展以及演變過程發(fā)揮著重要作用，本文就IDH的功能、突變IDH的特點(diǎn)、與膠質(zhì)瘤的關(guān)系、致癌機(jī)制及其導(dǎo)致膠質(zhì)瘤代謝的改變作一綜述。

一、IDH的功能概述

IDH有IDH1、IDH2和IDH3三種同工酶。IDH1和IDH2是煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosophate acid, NADP+)依賴型同型二聚體酶，催化異檸檬酸氧化脫羧生成α-酮戊二酸(α-Ketoglutarate, α-KG)、還原性煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADPH)和二氧化碳，二者所催化的上述反應(yīng)為可逆反應(yīng)。IDH3是煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine Dinucleotide, NAD+)依賴型異四聚體酶，催化異檸檬酸氧化脫羧生成α-KG、還原性煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(reduced nicotinamide adenine dinucleotide, NADH)和二氧化碳，由于IDH3是三羧酸循環(huán)的限速酶，其所催化的氧化脫羧反應(yīng)在生理?xiàng)l件下是不可逆的。

雖然不同亞型的IDH催化的反應(yīng)過程相似且部分重疊，但是各自卻具有不同的重要生理功能。IDH1存在于細(xì)胞質(zhì)和過氧化物酶體中，其代謝產(chǎn)物α-KG對于維持細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核內(nèi)大量雙加氧酶的活性是必需的，其另一代謝產(chǎn)物NADPH為脂質(zhì)生物合成提供關(guān)鍵的還原當(dāng)量，同時(shí)還是極其重要的抗氧化劑用以保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激以及放射性損害；研究發(fā)現(xiàn)IDH1在細(xì)胞缺氧狀態(tài)下可羧化α-KG生成異檸檬酸，后者進(jìn)一步裂解生成乙酰輔酶A，作為支持脂質(zhì)合成的原料[2]。IDH2和IDH3定位于線粒體基質(zhì)，IDH2被認(rèn)為在缺氧狀態(tài)下維持細(xì)胞能量產(chǎn)生以及促進(jìn)細(xì)胞增殖[3-4]，同時(shí)亦可以產(chǎn)生NADPH用以保護(hù)線粒體免于氧化應(yīng)激損害。IDH3則是作為三羧酸循環(huán)關(guān)鍵酶參與線粒體能量代謝(圖1)。

二、IDH1/2基因突變特點(diǎn)

人類基因組中異檸檬酸脫氫酶的編碼基因有五種，兩種基因分別編碼IDH1和IDH2，另外三種基因則分別編碼IDH3的四個亞基-2個α亞基、1個β亞基和1個γ亞基。神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞中IDH基因突變有以下幾個特點(diǎn)：①IDH1/2基因突變主要發(fā)生在低級別膠質(zhì)瘤細(xì)胞中，約60%～80%的Ⅱ級和Ⅲ級膠質(zhì)瘤以及高達(dá)90%繼發(fā)性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤存在有IDH基因突變[5]；②在神經(jīng)膠質(zhì)膠質(zhì)瘤中，IDH1突變頻率遠(yuǎn)高于IDH2的突變頻率，目前尚未發(fā)現(xiàn)IDH3基因突變[5]；③IDH1/2突變均為雜合型突變，IDH1/2突變型酶為異源二聚體，分別由正常和突變型IDH基因編碼[6]；④IDH1/2突變在發(fā)生上具有相對獨(dú)立互斥的特點(diǎn)，極少同時(shí)發(fā)生突變[7]，提示二者突變在誘發(fā)腫瘤過程中或有著相同或者類似機(jī)制，或二者同時(shí)發(fā)生突變會對細(xì)胞產(chǎn)生致死損害；⑤IDH1/2在神經(jīng)膠質(zhì)瘤中突變類型均是單個氨基酸錯義突變，常見突變位點(diǎn)是第132位精氨酸殘基，約80%～90%的突變類型是R132H，其它較為常見的突變類型依次是R132C、R132G、R132S[8]；⑥IDH基因發(fā)生突變后其不再具有原有酶活性，而是獲得催化α-KG還原為2-羥基戊二酸(2-hydroxyglutarate, 2-HG)這一新的酶活性[9]；⑦IDH1/2突變型膠質(zhì)瘤患者的預(yù)后明顯好于非突變型患者[10]。

三、IDH1/2突變致瘤機(jī)制

現(xiàn)代分子生物學(xué)普遍認(rèn)為細(xì)胞中信息的表達(dá)不僅受DNA序列遺傳調(diào)控，還受到表觀遺傳調(diào)控，即在核苷酸序列不發(fā)生改變的情況下，基因的表達(dá)水平以及功能發(fā)生改變，并可產(chǎn)生可遺傳表型，IDH1/2突變相關(guān)的表觀遺傳修飾改變包括DNA和組蛋白的異常甲基化。由于2-HG在結(jié)構(gòu)上與α-KG相似，可競爭性抑制α-KG依賴性酶，其中包括10-11移位(ten-eleven translocation, TET)蛋白家族TET2以及組蛋白賴氨酸去甲基化酶，而二者在DNA和組蛋白的去甲基化過程中發(fā)揮著重要功能，因此IDH1/2突變可導(dǎo)致DNA和組蛋白的異常高甲基化， 從而引起表觀遺傳異常修飾改變而影響某些相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，進(jìn)而導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生[11]。

缺氧誘導(dǎo)因子-1α(hypoxia-inducible factor 1α, HIF-1α)在腫瘤的發(fā)生發(fā)展過程中有著重要的作用，其可激活下游60余種靶基因轉(zhuǎn)錄，如血管內(nèi)皮生長因子、人促進(jìn)紅細(xì)胞素、糖酵解酶等，以使腫瘤細(xì)胞適應(yīng)低氧環(huán)境從而促進(jìn)腫瘤的生長。在正常氧分壓條件下，HIF1-α亞基上的脯氨酸殘基被α-KG依賴性脯氨酰羥化酶羥基化，進(jìn)而發(fā)生泛素化和蛋白酶體降解。有學(xué)者證實(shí)2-HG可競爭性抑制α-KG依賴脯氨酸羥化酶的活性，從而導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)HIF-1α水平升高進(jìn)而誘導(dǎo)腫瘤的發(fā)生[12]。與此相反，Koivunen等[13]發(fā)現(xiàn)2-HG可激活另一脯氨酸-4-羥化酶，因而促進(jìn)HIF-1α泛素化降解，降低細(xì)胞內(nèi)HIF-1α水平。

此外，IDH1/2突變可導(dǎo)致分化相關(guān)基因高甲基化，從而抑制腫瘤細(xì)胞的分化，使得腫瘤細(xì)胞停留在低分化狀態(tài)[14]；針對IDH1/2突變的小分子抑制劑已于2013年成功開發(fā)，研究證實(shí)該小分子抑制劑可抑制腫瘤生長，并促進(jìn)相關(guān)分化基因組蛋白去甲基化，進(jìn)而誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞分化。有趣的是體外低劑量抑制劑處理IDH1/2突變型膠質(zhì)瘤細(xì)胞可以抑制其生長，但膠質(zhì)瘤細(xì)胞DNA高甲基化狀態(tài)并未改變，亦未誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞分化[15]，意味著逆轉(zhuǎn)IDH1/2突變型膠質(zhì)瘤高甲基化表型并不是抑制其生長所必須的，IDH1/2突變引起的其它未知改變可能在腫瘤的增殖過程中發(fā)揮著重要作用。

四、IDH1/2突變的代謝改變

1.IDH1/2突變對糖代謝的影響：Izquierdo等[16]發(fā)現(xiàn)在IDH1突變型膠質(zhì)瘤細(xì)胞中丙酮酸脫氫酶的活性是降低的。在另一研究中，Mustafa等[17]發(fā)現(xiàn)在IDH1突變型膠質(zhì)母細(xì)胞瘤細(xì)胞內(nèi)某些三羧酸循環(huán)代謝酶如檸檬酸合酶、順烏頭酸酶以及IDH2酶活性增高，同時(shí)還觀測到胞內(nèi)乳酸脫氫酶B活性增高而乳酸脫氫酶A的活性減弱，因而突變型細(xì)胞生成乳酸能力減弱。有意思的是，IDH1突變一方面導(dǎo)致丙酮酸脫氫酶活性降低，另一方面又引起細(xì)胞內(nèi)乳酸含量降低，而后者與絕大部分腫瘤細(xì)胞所表現(xiàn)的Warburg效應(yīng)相悖。

2.IDH1/2突變對氨基酸代謝的影響：IDH1/2突變導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)由α-KG生成的2-HG含量呈百倍的升高，但是細(xì)胞內(nèi)α-KG的含量并未因此顯著降低，僅表現(xiàn)為稍低于野生型腫瘤細(xì)胞，仍較正常腦組織內(nèi)的含量高[18]，因而推斷IDH1/2突變型膠質(zhì)瘤細(xì)胞還有其它代謝途徑來彌補(bǔ)α-KG池的損耗。在IDH1/2突變型膠質(zhì)瘤細(xì)胞中，2-HG含量增加的同時(shí)亦伴隨有谷氨酸含量降低；Chen等[19]研究發(fā)現(xiàn)IDH1/2突變型膠質(zhì)瘤細(xì)胞內(nèi)谷氨酸脫氫酶1和谷氨酸脫氫酶2表達(dá)增高，谷氨酸脫氫酶2可以逆轉(zhuǎn)IDH1/2突變對腫瘤細(xì)胞的抑制作用從而促進(jìn)膠質(zhì)瘤細(xì)胞生長；亦有研究發(fā)現(xiàn)抑制谷氨酰胺酶活性可以較溫和地抑制IDH1/2突變型膠質(zhì)瘤細(xì)胞的增殖，谷氨酰胺酶可以催化谷氨酰胺生成谷氨酸，谷氨酸在谷氨酸脫氫酶的作用下進(jìn)一步生成α-KG，從而代償了α-KG的消耗[20]。IDH1/2突變多見于神經(jīng)膠質(zhì)瘤，其它腫瘤組織亦發(fā)現(xiàn)有IDH1/2突變，但是突變頻率遠(yuǎn)低于神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，大腦半球存在著大量的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)谷氨酸，包繞在突觸間隙的星形膠質(zhì)細(xì)胞可表達(dá)興奮性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體-2，其可轉(zhuǎn)運(yùn)攝取間隙中多余的谷氨酸以保護(hù)神經(jīng)元免于興奮性氨基酸毒性作用，攝入的谷氨酸在谷氨酸脫氫酶的催化下生成α-KG，可彌補(bǔ)由于IDH1/2突變造成的α-KG消耗，使得腫瘤的發(fā)生成為可能。由于興奮性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體-2在體外培養(yǎng)的低級別膠質(zhì)瘤中往往表達(dá)缺失，亦從另一個角度解釋了為什么內(nèi)源型IDH1/2突變膠質(zhì)瘤細(xì)胞在體外很難培養(yǎng)成功。同時(shí)亦有研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞外基質(zhì)中谷氨酸可以促進(jìn)膠質(zhì)瘤干細(xì)胞的生長，無論細(xì)胞內(nèi)IDH1是否發(fā)生突變，以及谷氨酸脫氫酶是否高表達(dá)[19]。

圖1 IDH1突變型膠質(zhì)瘤細(xì)胞在缺氧狀態(tài)下脂質(zhì)從頭合成途徑示意圖

3.IDH1/2突變對脂質(zhì)代謝的影響：IDH1/2不僅參與異檸檬酸氧化脫羧，在脂質(zhì)合成過程中亦有著重要作用[2-4]。IDH1可以羧化還原α-KG生成異檸檬酸，進(jìn)一步生成檸檬酸參與脂質(zhì)合成，尤其在缺氧環(huán)境下細(xì)胞幾乎完全依賴IDH1催化由谷氨酸派生的α-KG所介導(dǎo)的脂質(zhì)合成[2]，由此推測IDH1突變會影響細(xì)胞脂質(zhì)的合成，并對突變型細(xì)胞生長增殖產(chǎn)生不利影響。同時(shí)Mustafa等[17]發(fā)現(xiàn)在IDH1突變型膠質(zhì)母細(xì)胞瘤細(xì)胞內(nèi)IDH2酶活性增高，突變細(xì)胞可能通過線粒體以及IDH2途徑代償IDH1突變造成的不利影響(圖1示IDH1突變型膠質(zhì)瘤細(xì)胞在缺氧狀態(tài)下脂質(zhì)從頭合成途徑)，這可從另一角度解釋為什么膠質(zhì)瘤細(xì)胞極少同時(shí)發(fā)生IDH1和IDH2突變，二者若同時(shí)突變可能會對膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生致死效應(yīng)。由此推測抑制IDH2基因的表達(dá)可以抑制IDH1突變型膠質(zhì)瘤的生長增殖，可能為膠質(zhì)瘤的治療提供一種新的策略。

腦器官富含脂類物質(zhì)，其主要包括磷脂、鞘脂以及甘油，約占腦組織干重的50%以上。在星形膠質(zhì)細(xì)胞中，磷脂占到所有脂類物質(zhì)的70%左右，主要由磷脂酰膽堿(卵磷脂)以及磷脂酰乙醇胺(腦磷脂)構(gòu)成，其中約70%磷脂酰乙醇胺以縮醛磷脂乙醇胺形式存在，Esmaeili等[21]發(fā)現(xiàn)在IDH1突變型膠質(zhì)瘤細(xì)胞中磷脂酰膽堿水平升高，而磷脂酰乙醇胺含量降低。由于縮醛磷脂在過氧化物酶體合成過程中需要IDH1參與，亦有實(shí)驗(yàn)證實(shí)在IDH1突變型膠質(zhì)瘤細(xì)胞中縮醛磷脂乙醇胺含量降低約50%左右[22]，既往研究發(fā)現(xiàn)縮醛磷脂具有廣泛的生物學(xué)功能，可能與腫瘤相關(guān)。

綜上所述，IDH1/2突變對細(xì)胞的生長發(fā)育有著雙重的影響，一方面由于代謝產(chǎn)物2-HG在細(xì)胞內(nèi)的積累可以影響多種α-KG依賴性酶如TET2和組蛋白賴氨酸去甲基化酶，進(jìn)而導(dǎo)致DNA甲基化和表觀遺傳改變，可能參與腫瘤的發(fā)生；另一方面其影響脂質(zhì)的合成，從而影響細(xì)胞的增殖。Gilbert等[23]研究亦證實(shí)IDH1突變可抑制膠質(zhì)瘤的生長，并且對不同類型的膠質(zhì)瘤細(xì)胞有著不同的影響，這取決于各細(xì)胞類型不同的遺傳背景。但是亦有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證IDH1突變可使細(xì)胞獲得增值優(yōu)勢以及在軟瓊脂形成細(xì)胞集落的能力[13]，因此在解釋IDH1/2突變對不同類型細(xì)胞的不同影響時(shí)應(yīng)持謹(jǐn)慎態(tài)度。

IDH突變被認(rèn)為是膠質(zhì)瘤發(fā)生過程中的早期事件，若該突變不僅僅是作為始動因素參與膠質(zhì)瘤的發(fā)生，而且在膠質(zhì)瘤進(jìn)一步惡性發(fā)展過程中亦起到重要作用，那么應(yīng)用IDH突變抑制劑可能是有效的治療手段以達(dá)到阻止膠質(zhì)瘤進(jìn)一步的惡性突變進(jìn)展；尚若IDH1/2突變只是作為始動因素參與膠質(zhì)瘤的發(fā)生，后期惡性演變不再依賴該突變，那么IDH突變抑制劑的治療效用則可能是無效的[25]，目前已經(jīng)研發(fā)出針對IDH1/2突變的相關(guān)疫苗[24]，期臨床效用需要進(jìn)一步驗(yàn)證。由于IDH1/2突變型膠質(zhì)瘤很難在體外培養(yǎng)成功，因此限制了某些相關(guān)研究。將來采用的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛻?yīng)是能夠準(zhǔn)確反映內(nèi)源型IDH1/2突變型膠質(zhì)瘤的本質(zhì)特性，并利用該模型深入探究IDH1/2 突變在膠質(zhì)瘤發(fā)生發(fā)展過程中的作用機(jī)制，以便為將來臨床治療提供新的途徑和方法。

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張耀，碩士研究生，E-mail:zhangyaosjwk@126.com

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2015-06-23；

2015-07-20)