異檸檬酸脫氫酶基因突變在腦膠質瘤中的研究進展

夏松松　慕璐巖　綜述　林志國#　黃建平　審校哈爾濱醫科大學附屬第一醫院功能神經外科，哈爾濱5000美國佛羅里達大學，佛羅里達州甘斯威爾　36

異檸檬酸脫氫酶基因突變在腦膠質瘤中的研究進展

夏松松1慕璐巖1綜述林志國1#黃建平2#審校
1哈爾濱醫科大學附屬第一醫院功能神經外科，哈爾濱1500012美國佛羅里達大學，佛羅里達州甘斯威爾32611

異檸檬酸脫氫酶1（IDH1）基因突變在神經膠質瘤中的研究備受關注。IDH1突變導致酶原有活性下降，同時獲得將α-酮戊二酸轉化為2-羥戊二酸的新功能，并改變了膠質瘤的表觀遺傳學特征，使膠質瘤代謝重編程，破壞膠質瘤氧化還原穩態。本文簡述了IDH1突變在膠質瘤中的機制、診斷價值、預后判斷和靶向治療的國內外研究進展，為IDH1突變深入研究、進一步了解膠質瘤病因及干預措施打下基礎，亦為膠質瘤分子水平分類和治療提供新思路。

膠質瘤；異檸檬酸脫氫酶；突變

膠質瘤是人類中樞神經系統最常見的惡性腫瘤，占顱內腫瘤的40%～50%，根據2007年世界衛生組織（world health organization，WHO）的分類方案分為星形細胞瘤、少突膠質細胞腫瘤、少突膠質星形細胞瘤、室管膜腫瘤、脈絡膜叢腫瘤、神經元和混合性神經元-神經膠質腫瘤、其他神經上皮組織腫瘤等。膠質瘤具有生長迅速、易復發、病死率高等特點，是威脅人類健康的惡性疾病。

1　異檸檬酸脫氫酶（IDH）的結構與功能

IDH在生物體內有兩種存在形式，即以NADP為輔酶的NADP-依賴型IDH（包括IDH1與IDH2，兩者屬于同工異構酶）及以NAD為輔酶的NAD-依賴型IDH（IDH3）。其中IDH1和IDH2可分為同源二聚體和單體，而IDH3是四聚體，它是由2個α亞基、1個β亞基、1個γ亞基組成的功能單位［1］。IDH1存在于胞質和過氧化物酶體中，基因定位于染色體2q33.3，全長為18 854個核苷酸，其mRNA長度為2339 bp，有10個外顯子，僅一種剪切方式，其編碼的IDH1酶有414個氨基酸，真核生物中IDH1具有抗氧化作用，以維持生物體內的抗氧化系統，還有促進脂質合成作用；IDH2存在于線粒體中，基因定位于15q26.1，全長18 499個核苷酸，其mRNA長度為1740 bp，有11個外顯子，僅一種剪切方式，其編碼的IDH2酶有452個氨基酸；IDH2與IDH3主要參與細胞的能量代謝［2-3］。

三羧酸循環是人體重要的產能過程，由一系列酶促反應構成的循環反應系統。在該反應過程中，首先由乙酰輔酶A與草酰乙酸縮合生成含有3個羧基的檸檬酸，經過4次脫氫，2次脫羧，生成4分子還原當量和2分子CO2，重新生成草酰乙酸的這一循環反應過程成為三羧酸循環。在異檸檬酸脫氫酶作用下，異檸檬酸的仲醇氧化成羰基，生成草酰琥珀酸（oxalosuccinicacid）的中間產物，后者在同一酶作用下，快速脫羧生成α-酮戊二酸（α-ketoglutarate，α-KG），同時將NADP+/NAD+轉化為NADPH/NADH，此反應為β-氧化脫羧，此酶需要鎂離子作為激活劑。此反應是不可逆的，是三羧酸循環中的限速步驟，ADP是異檸檬酸脫氫酶的激活劑，而ATP、NADH和NAD是此酶的抑制劑。

2　IDH基因突變類型

IDH三種亞型中IDH1基因突變是膠質瘤中最常見的突變類型，IDH2較少見，尚未發現IDH3基因突變。2008年，Parsons等［4］首先發現了IDH1在膠質瘤中的突變，他們通過測定22例樣本中20 661個蛋白編碼基因，顯示5例膠質母細胞瘤患者在IDH1的活性中心即R132處頻繁發生突變；后續實驗還發現IDH1與IDH2突變是單等位基因的雜合、錯義，點突變R132H（132位精氨酸突變為組氨酸）是最常見的突變，約占90%，因395號堿基由鳥嘌呤（G）突變為腺嘌呤（A），致使組氨酸殘基取代精氨酸殘基。此外，R132C（132位精氨酸突變為半胱氨酸）、R132S（132位精氨酸突變為絲氨酸）、R132G（132位精氨酸突變為甘氨酸）、R132L（132位精氨酸突變為亮氨酸）都會發生突變，但突變頻率要遠低于R132H。IDH2突變也是點突變導致的氨基酸置換，R172K（172位精氨酸突變為賴氨酸）是最常見的突變，位于IDH2的酶活性中心，其他位點突變比較少。

3　IDH基因突變在腦膠質瘤中的致癌機制

IDH基因突變導致HIF-1α通路激活可能是其致癌機制之一［3，5-6］。前文已述IDH是三羧酸循環的限速酶，在此酶作用下，異檸檬酸快速脫羧生成α-酮戊二酸。IDH基因突變致使其催化異檸檬酸氧化脫羧生成α-酮戊二酸的能力下降。脯氨酰羥化酶（prolyl hydroxylase，PHD）是一種依賴α-酮戊二酸的雙加氧酶，調節促進HIF-1α的降解。α-KG作為PHD必需的協同底物，參與HIF-1α催化降解過程。α-酮戊二酸合成減少導致PHD活性下降。正常情況下HIF-1α在PHD作用下羥化，并隨后進行蛋白酶體降解。由于PHD活性下降，最終激活HIF-1α和HIF-1β組成的異源二聚體轉錄活性，誘導HIF-1α靶基因的表達，從而打開了HIF-1信號通路。

HIF-1活性對維持腫瘤細胞的能量代謝、腫瘤血管生成、促進腫瘤細胞增殖和轉移起重要作用，是腫瘤中低氧誘導的關鍵分子。HIF-1α是HIF-1的關鍵因子，其過度表達，誘導HIF-1信號轉導通路下游基因的表達，使腫瘤細胞適應低氧環境，繼續增殖，并具有高侵襲與轉移能力以及對放射和化學療法的耐受性。研究發現HIF活化后，一方面可以促使成纖維母細胞中的小窩蛋白（Cav1）發生自體吞噬降解，小窩蛋白的降解可抑制周圍癌細胞的凋亡［7］；另一方面它通過增強其下游的靶基因——血管內皮生長因子（VEGF）的表達，刺激血管增生，為腫瘤細胞的生長、浸潤及遠處轉移提供必要的條件［8］；另外，膠質瘤細胞生長迅速，耗氧量大，因此缺氧是腫瘤細胞的主要微環境特征，然而，HIF-1α可以通過多種機制調節膠質瘤細胞對缺氧的耐受，促進腫瘤細胞不斷增生。

IDH基因突變導致膠質瘤細胞的全基因組表觀遺傳學改變也被認為是一種IDH基因突變致癌的機制［9］。TET家族蛋白質羥化酶2（ten-eleven translocation 2，TET2）是一種α-KG依賴的雙加氧酶，TET2可以催化5-甲基胞嘧啶（5-methycytosine，5mC）轉化為DNA甲基化的中間產物5-羥甲基胞嘧啶（5-hydroxymethycytosine，5hmC），α-KG表達水平會影響TET蛋白酶的催化活性［10-11］。IDH的突變不僅失去正常的酶催化活性，降低α-KG的生成，并且獲得了一個新的功能，可將異檸檬酸轉化為2-羥戊二酸（2-hydroxyglutaric acid，2-HG），2-HG是一種在結構上類似于α-KG的分子，能拮抗α-KG競爭性抑制多種α-KG依賴性的雙加氧酶，包括組蛋白去甲基化酶和5mC羥化酶TET家族，從而使組蛋白甲基化水平上調及5hmC下降。因此IDH基因突變降低了TET2的催化活性，最終導致DNA高甲基化并降低相關基因的表達［6，12］。對膠質瘤樣品進行DNA甲基化圖譜分析，結果發現在某些樣品中存在過度甲基化修飾現象，并稱之為膠質瘤CPG島甲基化表型（G-CIMP）。Sevin等［13］證明IDH基因突變可直接導致G-CIMP的產生，這表明單獨的IDH基因突變可產生高甲基化表型。在表達IDH基因突變的膠質細胞中還發現5hmC的減少以及組蛋白去甲基化酶受2-HG抑制，這些作用改變了組蛋白賴氨酸甲基化狀態。現在認為IDH基因突變主要是通過2-HG降低TET2的活性來產生表觀遺傳學改變［10，14］。

在正常情況下，人體內2-羥戊二酸的含量極低。一旦IDH發生突變，其中精氨酸132突變為組氨酸時，活性部位殘基所產生的結構變化傾向于減少IDH1對異檸檬酸鹽的氧化脫羧作用，并且獲得將α-KG轉化為2-HG的能力，并催化α-酮戊二酸NADPH依賴性還原為2-HG，使其含量急劇升高。已有研究表明，缺乏2-HG脫氫酶的患者，2-HG在人體內大量積累與腦部惡性腫瘤的發生及發展有十分重要的關系［15］。通過對2-羥戊二酸脫氫酶缺乏患者的頭部磁共振以及腦脊液分析發現，2-HG的大量累積可以影響大腦白質的結構及功能，最終導致腦白質病變，進一步增加了腦膠質瘤發病的風險［15］。這也被認為是IDH基因突變導致膠質瘤產生、發展的機制之一。

4　IDH基因突變在腦膠質瘤中的發生率

WHO根據膠質瘤的惡性程度分為4個等級，WHOⅠ～WHOⅣ級，惡性程度依次增高。IDH不僅在膠質瘤各級別中突變率不相同，在同級別膠質瘤中的突變表達情況也相差很大。王君祥等［16］曾做過相關實驗，實驗人員選取經病理證實的125份膠質瘤標本作為觀察組，選取同期除膠質瘤外其他顱內腫瘤（如腦膜瘤、垂體瘤胚生殖細胞瘤等）作為對照組，采用基因芯片擴增及測序、免疫組化技術和統計學方法分析不同級別和類型細胞中IDH的突變率，結果顯示：WHOⅠ級中毛細胞星形細胞瘤突變率為0；WHOⅡ級中彌漫性星形細胞瘤、少突膠質細胞瘤、少突星形細胞瘤突變率為66.7%～68.8%，室管膜瘤突變率為0；WHOⅢ級中間變性星形細胞瘤、間變性少突膠質細胞瘤、間變性少突星形細胞瘤的突變率分別為75.0%、57.1%和75.0%，間變性室管膜瘤為0；WHOⅣ級中繼發性膠質母細胞瘤和原發性膠質母細胞瘤的突變率分別為77.8%和15.0%。Hartmann等［17］對l010例腦膠質瘤患者的標本進行試驗，IDH基因突變情況為：彌漫性星形細胞瘤約為68%，少突膠質細胞瘤約為75%，少突星形細胞瘤約為7l%，繼發性GBM約為88%，結果與上述實驗數據基本相符。總結國內外文獻報道，在彌漫性星形細胞瘤、少支膠質細胞瘤、少支星形細胞瘤、間變性星形細胞瘤、間變性少支膠質細胞瘤、間變性少支星形細胞瘤及GB中可檢測到IDH1突變。而在毛細胞星形細胞瘤、室管膜瘤、間變性室管膜瘤及髓母細胞瘤未能檢測到IDH1突變。從神經病理的WHO分級來看，WHOⅠ級膠質瘤IDH1基因突變率為0%，WHOⅡ級為57.1%，WHOⅢ級為66.7%，WHOⅣ級為34.6%［18］。在膠質瘤中IDH1突變與1p/19q、TERT Promoter等標志物突變存在一定關聯。Eckel-Passow等［19］曾做過相關試驗，選取615例膠質瘤患者，IDH1、1p/19q及TERT Promoter同時突變的約占29%；TERT Promoter和IDH基因突變的占5%；只有IDH基因突變占45%；只有TERT Promoter突變的占10%；10%的人有其他的組合；三者都是陰性的為7%。

由于膠質瘤各亞型中IDH基因突變率不同，因此可通過檢測IDH基因突變情況達到鑒別膠質瘤亞型目的。毛細胞星形細胞瘤與彌漫性星形細胞瘤在組織學上十分相似，然而它們的治療方法卻截然不同，鑒于以上結果毛細胞星形細胞瘤突變率為0，彌漫性星形細胞瘤突變率為66.7%～68.8%，我們可以發現這兩種腫瘤的IDH基因突變情況有很大差別，因此通過檢測IDH基因突變情況來區分這兩種腫瘤亞型，給患者帶來最適合的治療方案，取得最好的治療效果［20-21］。同樣道理也可以應用于原發性膠質瘤與繼發性膠質瘤的鑒別診斷。

5　IDH基因突變與膠質瘤預后

鑒于以往研究，IDH基因突變會激活HIF-1α途徑以及CpG島甲基化表型，進而引起膠質瘤的惡性進展，但Tanaka等［22］發現，IDH基因突變的膠質瘤預后往往比未發生突變的膠質瘤好，生存期延長。Waitkus等［3］的試驗證明了這一點，IDH基因突變的膠質母細胞瘤患者平均生存期為31個月，未突變者平均生存期為15個月；IDH基因突變的間變性星形細胞瘤平均生存期為65個月，而未突變者為20個月。隨后的試驗也得出相似結果：WHOⅡ級膠質瘤IDH1突變型患者生存期（95周）高于IDH1未突變患者（64周），WHOⅢ級IDH1突變組（64周）高于IDH1未突變組（51周），WHOⅣ級IDH1突變型組（58周）高于IDH未突變組（48周）［20］。理論上，Ⅳ級患者生存期要比Ⅲ級患者生存期短，但從研究結果中發現，WHOⅣ級IDH1突變型組的生存期要比WHOⅢ級IDH1未突變組長，因此，IDH基因突變也可以作為膠質瘤患者預后的一項指標。IDH基因突變后通過什么機制提高膠質瘤患者愈后，延長患者生存期至今不明確，相關研究表明IDH基因突變時常伴隨1p19q染色體缺失，此染色體缺失后，膠質瘤患者對化療更加敏感，推測IDH基因突變后通過增強化療效果而影響預后［23］。還有專家設想是否通過抑制腫瘤細胞的增殖來達到目的。Ki-67是細胞周期中出現的核抗原，在臨床中常被用來作為檢測腫瘤增殖的指標。研究IDH基因突變與Ki-67的關系或許能夠找到答案［24］。

6　小結及展望

綜上所述，IDH基因突變對膠質瘤來說是一把雙刃劍，它既能促進膠質瘤的產生、發展及惡化，又能延長膠質瘤患者的生存期，改善預后。隨著分子遺傳學和免疫學技術的不斷進步，對于IDH基因突變的深入研究將有助于闡明膠質瘤形成和發展過程的機制，進而有利于膠質瘤的篩查、鑒別診斷和分級，為膠質瘤的治療提供新的思路和方法，如：IDH基因突變不僅可以作為膠質瘤患者預后的標志［25］，還可以為靶向藥物治療提供新的靶點；α-KG類似物可以抑制HIF-1α的活性，阻斷信號通路的激活，從而降低腫瘤細胞的增殖，為膠質瘤的藥物治療提供新的思路；IDH基因突變可將α-KG轉化為2-HG，因此作用于2-HG的產生過程也為抑制膠質瘤的發生提供可能。進一步延長患者生存期，提高患者的生存質量。

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（corresponding author），郵箱：linzhiguo@hotmail.com；jianping.huang@neurosurgery.ufl.edu