IDH1基因突變在膠質瘤中的作用機制及其靶向治療研究

彭海芹，付 軍，李戰戰，李 娜，張 琨 （中南大學湘雅醫院腫瘤科，湖南長沙410000）

0 引言

膠質瘤是最常見的原發性腦部腫瘤之一，其侵犯正常腦組織，多數呈浸潤性生長，惡性程度高［1］。目前臨床上主要的治療方法是手術切除聯合放射及化學藥物治療，但治療效果并不十分理想，復發率較高，嚴重威脅著人類健康。

2007年第4版世界衛生組織（WHO）中樞神經系統（central nervous system，CNS）腫瘤分類按組織學形態將膠質瘤分為Ⅰ～Ⅳ級，并認為Ⅰ級為良性、Ⅱ級為交界性、Ⅲ級為惡性、Ⅳ級為高度惡性［2］。Ⅳ級膠質瘤即膠質母細胞瘤（glioblastoma multiforme，GBM），惡性程度最高，預后極差［3］。 2008 年，Parsons等［4］在膠質母細胞瘤的研究中首次發現異檸檬酸脫氫酶-1（isocitrate dehydrogenases-1， IDH1）突變。IDH1基因突變在低級別的膠質瘤和繼發性膠質母細胞瘤中普遍存在。2016年，WHO CNS腫瘤新分類在組織學的基礎上增加了分子學特征，并使用組織學和分子學特征進行重命名，如基于IDH基因突變將膠質瘤分為IDH突變型和IDH野生型。IDH1野生型的Ⅱ級／Ⅲ級膠質瘤比同級的IDH1突變型膠質瘤的預后差［5］。這些均意味著，IDH突變成為了靶向治療的標志性基因，將指導具有相似生物學和基因學特征的腫瘤治療方案的選擇。

1 IDH基因及其蛋白結構和功能

IDH是三羧酸循環中的關鍵限速酶，催化異檸檬酸氧化脫羧生成α-酮戊二酸（α-KG）及二氧化碳，可為細胞新陳代謝提供能量和生物合成前體物質，在生命活動中發揮重要作用［6］。人類IDH共有3種類型：IDH1、IDH2、IDH3。 其中，IDH1 和 IDH2 主要以同源二聚體的形式存在，都是煙酰胺腺嘌呤雙核苷酸磷酸（beta-nicotinamide adenine dinucleotide phosphoric acid，NADP+）依賴性IDH，所催化的反應具有可逆性。而IDH3為煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamideadenine dinucleotide， NAD+）依賴性 IDH，以四聚體的形式存在，所催化的反應是不可逆的。IDH1基因位于染色體2q33.3，編碼蛋白定位于胞質和過氧化物酶體，在糖和脂質代謝、抗活性氧損傷、放射性損傷和在低氧條件下調節脂肪合成等方面發揮重要作用［7］。IDH2蛋白主要存在于線粒體，通過生成NADPH維持氧化還原平衡，當低氧時在維持細胞內檸檬酸水平和抗活性氧損傷方面也起重要作用［8］。IDH3則作為三羧酸循環的關鍵酶參與線粒體能量代謝。

2 IDH1突變介導腫瘤形成機制

目前主流的觀點認為IDH1是一種癌基因，其主要致癌機制為IDH1突變產物D-2HG抑制α-KG依賴的雙加氧酶活性，但尚存爭議。IDH1催化異檸檬酸氧化脫羧生成α-KG和NADPH。α-KG涉及多種細胞過程，如缺氧、血管生成、細胞外基質膠原的形成以及表觀遺傳的調控，NADPH為細胞代謝和生命活動提供能量［6］。IDH1基因突變后，酶活性發生改變，催化 NADPH 和 α-KG 生 成 NADP+ 和 D-2HG［9］。D-2HG與 α-KG分子結構高度相似，唯一不同是D-2HG中存在一個C2羥基，而α-KG中為C2羰基。D-2HG是α-KG的一種弱競爭性抑制劑，大量異常水平的D-2HG競爭性抑制多種α-KG依賴性雙加氧酶活性［10］。人體內有80多種α-KG依賴性雙加氧酶，這些酶包括組蛋白去甲基化酶JMJD2和JHDM1，DNA去甲基化酶TET2蛋白家族，調節HIF的PHD、ALKBH4等，分別涉及組蛋白修飾、異常DNA甲基化、刺激血管生成、異常膠原的成熟和氧化DNA損傷修復［11-12］。因此，大量異常水平的D-2HG積累影響細胞增殖分化的多條信號通路，導致腫瘤發生。

然而，2009年，Zhao等［13］發表了一篇關于 IDH1基因突變功能的研究，發現IDH1突變型膠質瘤中α-KG的水平下降而低氧誘導因子1α（hypoxia-inducible factor 1α， HIF-1α）積聚，從而激活 HIF-1ɑ下游的靶基因轉錄，導致 VEGF、GluT1、PGK1等增多，由此提出IDH1是腫瘤抑制基因。

3 IDH1在膠質瘤中的突變類型及分布

神經膠質瘤和IDH突變之間的聯系最初是在膠質母細胞瘤的外顯子組測序研究的背景下發現的，在該研究中，在超過20%的腫瘤中發現了IDH1基因的突變［4］。 2009 年，有研究［14-15］對大范圍腦瘤的分析發現，IDH突變存在80%～90%的Ⅱ級和Ⅲ級膠質瘤和大約80%的繼發性膠質母細胞瘤中，原發性膠質母細胞瘤少見。膠質瘤IDH1基因突變為單個氨基酸的錯義突變，常見的突變位點是第132位氨基酸殘基，最常見的突變類型是IDH1 R132H，占全部IDH1基因突變的 90%，其余突變類型（R132C、R132S、R132G 和 R132L）較為少見［16］。

4 IDH1突變型膠質瘤的靶向治療前景

隨著腫瘤測序技術的發展，Johnson等［17］發現，IDH1突變不僅是膠質瘤發生過程中的早期事件，在膠質瘤的進一步惡化以及復發過程中也起到了重要作用。

Turcan 等［18］對去甲基化試劑（HAMs）地西他濱（decitabine）的臨床前期研究發現，應用HAMs治療IDH1突變型膠質瘤可以降低膠質分化的相關基因啟動子位點的DNA甲基化，從而抑制腫瘤細胞生長，促進正常細胞的增殖。Borodovsky等［19］證明長期服用低劑量的HAMs阿扎替丁（azacytidine）會降低啟動子位點的DNA甲基化，并減少一種非再生星形細胞瘤模型的細胞增殖。因此，以IDH1突變型細胞中DNA異常甲基化為靶點進行DNA去甲基化處理可能是一種潛在的靶向治療策略，但還需在IDH1突變型膠質瘤患者中進行深入的臨床研究。

Rohle等［20］在 IDH1突變的小鼠異種移植模型和體外模型中觀察到IDH1抑制劑AGI-5198能夠抑制IDH1突變型腫瘤細胞的生長，但并沒有改變膠質瘤細胞DNA高甲基化狀態。Wang等［21］發現AGI-5198能夠降低D-2HG的量并逆轉組蛋白和DNA高甲基化。這些研究均表明，誘導分化療法治療IDH1突變型腫瘤是有積極意義的。Schumacher等［22］臨床前研究表明，使用IDH1 R132H特異性肽的疫苗可引起MHC類特異性的抗腫瘤反應，對抗IDH1 R132H表達的腫瘤細胞，減少顱內腫瘤的生長［23］。這也意味著抗IDH1 R132H疫苗是針對IDH1 R132H-突變型膠質瘤的一種可行治療策略。隨后一系列的IDH1靶向藥物的臨床試驗陸續開展，包括 AG 120（NCT02073994）、IDH305（NCT02381886）以及 IDH1肽疫苗（NCT02454634、NCT02193347）等。

然而，Tateishi等［23］研究結果表明消耗體內異常的D-2HG不能抑制IDH1突變型實體瘤的生長。Ma等［24］使用 IDH1和 IDH2突變癌細胞系研究了D-2-HG在腫瘤發生中的作用，結果發現D-2HG的消融對細胞的增殖和遷移沒有明顯的影響，但在異種移植小鼠模型中能夠明顯抑制腫瘤生長。這些研究結果表明在患者源性的IDH1突變的腫瘤細胞系中，IDH1抑制劑對細胞的增殖和分化的效果是不確定的，說明D-2HG的代謝水平與腫瘤生長能力可能并沒有明顯的關系，限制突變酶的活性可能無法消除基因組中已經存在的慢性損傷和表觀遺傳改變。

Sasaki等［25］發現，大量異常的 D-2HG 不利于DNA修復的同源重組，并使IDH1突變型腫瘤和細胞系對PARP抑制劑更敏感。PARP抑制劑已經被批準用于其他癌癥類型，目前針對IDH1突變型膠質瘤的這類藥物的臨床試驗正在進行［26］。

此外，IDH1突變腫瘤的其它特征也可能是潛在的靶向治療靶點。Tateishi等［23］發現使用NAMPT抑制劑能夠誘導AMPK激活，在IDH1突變型膠質瘤細胞中和小鼠體內發生自噬，介導腫瘤的細胞死亡。Chesnelong等［27］證明乳酸脫氫酶 A （LDHA）的失活可以使IDH突變型膠質瘤細胞的糖酵解能力受損，導致腫瘤生長緩慢而且預后更好。Chan等［28］證明，IDH1／2突變體細胞對ABT-199（一種特定的BCl2抑制劑）的敏感性高于IDH1／2野生型。最近，有報道稱，存在IDH1突變的間變型星形細胞瘤的標本中，有較低水平的Mcl-1基因突變。Karpel-Massler等［29］發現添加D-2HG到GBM細胞培養，降低了Mcl-1的表達，使膠質母細胞瘤在體外和顱內異種移植中都受到Bcl-XL的抑制。

綜上所述，隨著分子生物學的進展，對腦膠質瘤的靶向治療的研究越來越深入并取得了一定成績，但是也存在一部分的研究結果表明IDH突變能夠抑制腫瘤生長，這可能與不同類型腫瘤細胞的遺傳背景以及多種信號通路的復雜性有關，亦或是IDH1突變引起其他的未知改變導致的。因此，針對IDH1突變型膠質瘤的靶向治療還需要深入探究，目前已有大量的相關實驗正在進行中，我們相信在不久的將來，靶向治療將為膠質瘤患者帶來更多的益處。