IDH1基因突变在胶质瘤中的作用机制及其靶向治疗研究

彭海芹，付 军，李战战，李 娜，张 琨 （中南大学湘雅医院肿瘤科，湖南长沙410000）

0 引言

胶质瘤是最常见的原发性脑部肿瘤之一，其侵犯正常脑组织，多数呈浸润性生长，恶性程度高［1］。目前临床上主要的治疗方法是手术切除联合放射及化学药物治疗，但治疗效果并不十分理想，复发率较高，严重威胁着人类健康。

2007年第4版世界卫生组织（WHO）中枢神经系统（central nervous system，CNS）肿瘤分类按组织学形态将胶质瘤分为Ⅰ～Ⅳ级，并认为Ⅰ级为良性、Ⅱ级为交界性、Ⅲ级为恶性、Ⅳ级为高度恶性［2］。Ⅳ级胶质瘤即胶质母细胞瘤（glioblastoma multiforme，GBM），恶性程度最高，预后极差［3］。 2008 年，Parsons等［4］在胶质母细胞瘤的研究中首次发现异柠檬酸脱氢酶-1（isocitrate dehydrogenases-1， IDH1）突变。IDH1基因突变在低级别的胶质瘤和继发性胶质母细胞瘤中普遍存在。2016年，WHO CNS肿瘤新分类在组织学的基础上增加了分子学特征，并使用组织学和分子学特征进行重命名，如基于IDH基因突变将胶质瘤分为IDH突变型和IDH野生型。IDH1野生型的Ⅱ级／Ⅲ级胶质瘤比同级的IDH1突变型胶质瘤的预后差［5］。这些均意味着，IDH突变成为了靶向治疗的标志性基因，将指导具有相似生物学和基因学特征的肿瘤治疗方案的选择。

1 IDH基因及其蛋白结构和功能

IDH是三羧酸循环中的关键限速酶，催化异柠檬酸氧化脱羧生成α-酮戊二酸（α-KG）及二氧化碳，可为细胞新陈代谢提供能量和生物合成前体物质，在生命活动中发挥重要作用［6］。人类IDH共有3种类型：IDH1、IDH2、IDH3。 其中，IDH1 和 IDH2 主要以同源二聚体的形式存在，都是烟酰胺腺嘌呤双核苷酸磷酸（beta-nicotinamide adenine dinucleotide phosphoric acid，NADP+）依赖性IDH，所催化的反应具有可逆性。而IDH3为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamideadenine dinucleotide， NAD+）依赖性 IDH，以四聚体的形式存在，所催化的反应是不可逆的。IDH1基因位于染色体2q33.3，编码蛋白定位于胞质和过氧化物酶体，在糖和脂质代谢、抗活性氧损伤、放射性损伤和在低氧条件下调节脂肪合成等方面发挥重要作用［7］。IDH2蛋白主要存在于线粒体，通过生成NADPH维持氧化还原平衡，当低氧时在维持细胞内柠檬酸水平和抗活性氧损伤方面也起重要作用［8］。IDH3则作为三羧酸循环的关键酶参与线粒体能量代谢。

2 IDH1突变介导肿瘤形成机制

目前主流的观点认为IDH1是一种癌基因，其主要致癌机制为IDH1突变产物D-2HG抑制α-KG依赖的双加氧酶活性，但尚存争议。IDH1催化异柠檬酸氧化脱羧生成α-KG和NADPH。α-KG涉及多种细胞过程，如缺氧、血管生成、细胞外基质胶原的形成以及表观遗传的调控，NADPH为细胞代谢和生命活动提供能量［6］。IDH1基因突变后，酶活性发生改变，催化 NADPH 和 α-KG 生 成 NADP+ 和 D-2HG［9］。D-2HG与 α-KG分子结构高度相似，唯一不同是D-2HG中存在一个C2羟基，而α-KG中为C2羰基。D-2HG是α-KG的一种弱竞争性抑制剂，大量异常水平的D-2HG竞争性抑制多种α-KG依赖性双加氧酶活性［10］。人体内有80多种α-KG依赖性双加氧酶，这些酶包括组蛋白去甲基化酶JMJD2和JHDM1，DNA去甲基化酶TET2蛋白家族，调节HIF的PHD、ALKBH4等，分别涉及组蛋白修饰、异常DNA甲基化、刺激血管生成、异常胶原的成熟和氧化DNA损伤修复［11-12］。因此，大量异常水平的D-2HG积累影响细胞增殖分化的多条信号通路，导致肿瘤发生。

然而，2009年，Zhao等［13］发表了一篇关于 IDH1基因突变功能的研究，发现IDH1突变型胶质瘤中α-KG的水平下降而低氧诱导因子1α（hypoxia-inducible factor 1α， HIF-1α）积聚，从而激活 HIF-1ɑ下游的靶基因转录，导致 VEGF、GluT1、PGK1等增多，由此提出IDH1是肿瘤抑制基因。

3 IDH1在胶质瘤中的突变类型及分布

神经胶质瘤和IDH突变之间的联系最初是在胶质母细胞瘤的外显子组测序研究的背景下发现的，在该研究中，在超过20%的肿瘤中发现了IDH1基因的突变［4］。 2009 年，有研究［14-15］对大范围脑瘤的分析发现，IDH突变存在80%～90%的Ⅱ级和Ⅲ级胶质瘤和大约80%的继发性胶质母细胞瘤中，原发性胶质母细胞瘤少见。胶质瘤IDH1基因突变为单个氨基酸的错义突变，常见的突变位点是第132位氨基酸残基，最常见的突变类型是IDH1 R132H，占全部IDH1基因突变的 90%，其余突变类型（R132C、R132S、R132G 和 R132L）较为少见［16］。

4 IDH1突变型胶质瘤的靶向治疗前景

随着肿瘤测序技术的发展，Johnson等［17］发现，IDH1突变不仅是胶质瘤发生过程中的早期事件，在胶质瘤的进一步恶化以及复发过程中也起到了重要作用。

Turcan 等［18］对去甲基化试剂（HAMs）地西他滨（decitabine）的临床前期研究发现，应用HAMs治疗IDH1突变型胶质瘤可以降低胶质分化的相关基因启动子位点的DNA甲基化，从而抑制肿瘤细胞生长，促进正常细胞的增殖。Borodovsky等［19］证明长期服用低剂量的HAMs阿扎替丁（azacytidine）会降低启动子位点的DNA甲基化，并减少一种非再生星形细胞瘤模型的细胞增殖。因此，以IDH1突变型细胞中DNA异常甲基化为靶点进行DNA去甲基化处理可能是一种潜在的靶向治疗策略，但还需在IDH1突变型胶质瘤患者中进行深入的临床研究。

Rohle等［20］在 IDH1突变的小鼠异种移植模型和体外模型中观察到IDH1抑制剂AGI-5198能够抑制IDH1突变型肿瘤细胞的生长，但并没有改变胶质瘤细胞DNA高甲基化状态。Wang等［21］发现AGI-5198能够降低D-2HG的量并逆转组蛋白和DNA高甲基化。这些研究均表明，诱导分化疗法治疗IDH1突变型肿瘤是有积极意义的。Schumacher等［22］临床前研究表明，使用IDH1 R132H特异性肽的疫苗可引起MHC类特异性的抗肿瘤反应，对抗IDH1 R132H表达的肿瘤细胞，减少颅内肿瘤的生长［23］。这也意味着抗IDH1 R132H疫苗是针对IDH1 R132H-突变型胶质瘤的一种可行治疗策略。随后一系列的IDH1靶向药物的临床试验陆续开展，包括 AG 120（NCT02073994）、IDH305（NCT02381886）以及 IDH1肽疫苗（NCT02454634、NCT02193347）等。

然而，Tateishi等［23］研究结果表明消耗体内异常的D-2HG不能抑制IDH1突变型实体瘤的生长。Ma等［24］使用 IDH1和 IDH2突变癌细胞系研究了D-2-HG在肿瘤发生中的作用，结果发现D-2HG的消融对细胞的增殖和迁移没有明显的影响，但在异种移植小鼠模型中能够明显抑制肿瘤生长。这些研究结果表明在患者源性的IDH1突变的肿瘤细胞系中，IDH1抑制剂对细胞的增殖和分化的效果是不确定的，说明D-2HG的代谢水平与肿瘤生长能力可能并没有明显的关系，限制突变酶的活性可能无法消除基因组中已经存在的慢性损伤和表观遗传改变。

Sasaki等［25］发现，大量异常的 D-2HG 不利于DNA修复的同源重组，并使IDH1突变型肿瘤和细胞系对PARP抑制剂更敏感。PARP抑制剂已经被批准用于其他癌症类型，目前针对IDH1突变型胶质瘤的这类药物的临床试验正在进行［26］。

此外，IDH1突变肿瘤的其它特征也可能是潜在的靶向治疗靶点。Tateishi等［23］发现使用NAMPT抑制剂能够诱导AMPK激活，在IDH1突变型胶质瘤细胞中和小鼠体内发生自噬，介导肿瘤的细胞死亡。Chesnelong等［27］证明乳酸脱氢酶 A （LDHA）的失活可以使IDH突变型胶质瘤细胞的糖酵解能力受损，导致肿瘤生长缓慢而且预后更好。Chan等［28］证明，IDH1／2突变体细胞对ABT-199（一种特定的BCl2抑制剂）的敏感性高于IDH1／2野生型。最近，有报道称，存在IDH1突变的间变型星形细胞瘤的标本中，有较低水平的Mcl-1基因突变。Karpel-Massler等［29］发现添加D-2HG到GBM细胞培养，降低了Mcl-1的表达，使胶质母细胞瘤在体外和颅内异种移植中都受到Bcl-XL的抑制。

综上所述，随着分子生物学的进展，对脑胶质瘤的靶向治疗的研究越来越深入并取得了一定成绩，但是也存在一部分的研究结果表明IDH突变能够抑制肿瘤生长，这可能与不同类型肿瘤细胞的遗传背景以及多种信号通路的复杂性有关，亦或是IDH1突变引起其他的未知改变导致的。因此，针对IDH1突变型胶质瘤的靶向治疗还需要深入探究，目前已有大量的相关实验正在进行中，我们相信在不久的将来，靶向治疗将为胶质瘤患者带来更多的益处。