异柠檬酸脱氢酶1在肝脏疾病中作用的研究进展

邓威，陈倩，郭金，龚作炯

武汉大学人民医院感染科，武汉430060

摘要：异柠檬酸脱氢酶1（IDH1）作为胞质和过氧化物酶体中一种依赖NADP的酶，主要 促进异柠檬酸转变为α-酮戊二酸，并生 成NADPH。IDH1 广泛参与肝脏中糖、脂质和氨基酸代谢以及氧化应激的发生，并与 多种肝脏疾病的发生发展密切相关。突变的IDH1 可将α-酮戊二酸转变为一种肿瘤代谢物-2-羟基戊二酸，参与 肝脏肿瘤的代谢重编程及调节表观遗传学，与肿 瘤发生密切相关。

关键词：肝脏疾病；异柠檬酸脱氢酶1；代谢

doi：10.3969/j.issn.1002-266X.2022.10.027

中图分类号：R575文献标志码：A文章编号：1002-266X（2022）10-0108-04

异柠檬酸脱氢酶1（IDH1）是一种在肝脏中高度表达的酶，在心肌、骨骼肌和肾脏组织亦有分布。IDH1是真核细胞内具有脱羧作用的氧化还原酶，在糖代谢、脂质代谢及氧化应激等生理过程中发挥重要作用［1］。既往研究发现，IDH1 水平在急慢性肝炎、肝硬化、肝癌等肝脏疾病中异常表达，可参与多种肝脏疾病的发生发展［2］。现就IDH1 在肝脏疾病中作用的研究进展综述如下。

1 IDH1的结构与功能

IDH1 基因位于2 号染色体长臂3 区4 带（2q34）上，其编码蛋白由414个氨基酸组成，相对分子质量为46.7 kD。IDH1 是线粒体三羧酸循环中的限速酶，催化异柠檬酸氧化脱羧转变为α-酮戊二酸（α-KG）。IDH 家族包括IDH1、IDH2、IDH3。其中，IDH1位于细胞质和过氧化物酶体中，并且利用烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP）作为辅助因子，在NADPH 生成途径中发挥作用。而IDH2 和IDH3 位于线粒体中，分别利用NADP和NAD为辅因子。

IDH1 突变通常是杂合突变，包括一个突变体（mtIDH1）和一个野生型等位基因（wtIDH1）。mtIDH1 多数是第132 号密码子上的精氨酸发生错义突变，转换为其他氨基酸，如组氨酸（IDH1-R132H）、丝氨酸（IDH1-R132S）、半胱氨酸（IDH1-R132C）、甘氨酸（IDH1-R132G）及亮氨酸（IDH1-R132L），其中IDH1-R132H 最常见。mtIDH1 可降低其与异柠檬酸活性位点结合力，增加与NADPH 的亲和力，削弱异柠檬酸脱羧作用。此外，mtIDH1 可将产物α-KG 转化为2-羟基戊二酸（2-HG），并且mtIDH1 还可产生2-HG 的R-对映体即（R）-2-HG。wtIDH1 可通过提供α-KG 底物，增强mtIDH1 产生2-HG 的能力。2-HG 可通过抑制组蛋白去甲基化和5-甲基-胞嘧啶羟基化，从而致使组蛋白和DNA 甲基化水平发生改变，与肿瘤发生发展密切相关，如胶质瘤、肝癌中的胆管细胞癌等［3-4］。

2 IDH1在肝脏疾病中的作用

2.1 在肝脏代谢及氧化应激中的作用

2.1.1 调节糖代谢 IDH1 与肝脏糖代谢密切相关。葡萄糖通过糖酵解转变为丙酮酸，丙酮酸氧化脱羧后在三羧酸循环周期中转变为异柠檬酸，异柠檬酸在相关载体协助下进入胞质被IDH1 转化为α-KG。肝脏是糖原合成与输出的主要器官，胰岛素在其中扮演重要作用。BAUCHLE 等［5］发现，抑制IDH1 可削弱糖酵解过程，并且使胰岛素分泌受损。IDH1的缺乏还可通过损害依赖α-KG的生糖氨基酸如丙氨酸的转氨基作用来减少糖异生［6］。突变的IDH1 会使三羧酸循环过程中的α-KG 转变为2-HG。肿瘤细胞在有氧条件下倾向于将葡萄糖代谢为乳酸，即Warburg 效应，是肿瘤代谢的重要特征。LI等［7］研究发现，在肿瘤发生发展的早期，存在IDH1活性及表达抑制，这可能与肿瘤细胞的代谢重编程有关。而GRASSIAN 等［8］发现，在缺氧条件下，IDH1突变细胞可表现出氧化三羧酸代谢的增加。

2.1.2 参与脂质代谢 肝脏与脂质代谢密切相关，如在过氧化物酶体中进行脂肪酸β 氧化、支链脂肪酸的α氧化等。肝细胞中脂肪与胆固醇的合成需要乙酰CoA 及NADPH，而IDH1 被认为是过氧化物酶体中NADPH 唯一生产者，参与脂质合成。正常情况下，脂质合成的乙酰CoA来源于糖酵解，而在缺氧或线粒体功能障碍的情况下，IDH1可介导谷氨酰胺衍生的α-KG 的还原羧化，产生乙酰CoA，促进脂肪酸生物合成，以支持肿瘤生长和进展。并且当谷氨酰胺是主要的脂质碳来源时，IDH1是合成脂质的必要因素［9］。

胆固醇调节元件结合蛋白（SREBP）是肝脏和癌细胞内胆固醇合成的调节器。SREBP 可通过激活正常细胞IDH1 的表达而参与脂质代谢，并且在IDH1突变细胞中，SREBP不但激活致癌IDH1表达，还可调节肿瘤代谢物2-HG 的产生［9］。但突变IDH1可通过减少NADPH 和细胞质乙酰CoA 的产生来抑制脂质合成。

2.1.3 参与氨基酸代谢 IDH1 的产物α-KG 可由部分氨基酸转变，如谷氨酸、谷氨酰胺等，再经过糖异生过程转变为糖。谷氨酰胺是一种条件必需氨基酸，可为三羧酸循环、脂肪酸合成和核苷酸合成提供氮和碳。SALAMANCA-CARDONA 等［10］通过超极化磁共振成像（HP-MRI）发现，谷氨酰胺是突变IDH1肿瘤中2-HG 生产的主要碳源，利用选择性IDH1 抑制剂可靶向谷氨酰胺衍生的2-HG治疗。此外，谷氨酰胺还参与还原性谷胱甘肽的形成。

支链氨基酸（BCAAs）包括缬氨酸、亮氨酸及异亮氨酸，是由支链氨基酸转氨酶1（BCAT1）将支链α-酮酸转化而来，其代谢异常与肿瘤发生密切相关。BCAT1 通过引起细胞增殖和化疗耐药在肝癌中发挥致病作用［11］。RAFFEL 等［12］发现，肿瘤中BCAT1表达与α-KG 浓度相关，IDH1 缺乏导致α-KG 浓度降低，进而导致BCAT1 表达降低，并且BCAT1 的过表达可降低细胞内α-KG水平。

2.1.4 调节氧化应激 活性氧（ROS）主要通过细胞色素P450 酶在肝细胞线粒体和内质网中产生。谷胱甘肽（GSH）是一种主要的抗氧化剂及氧化还原和细胞信号调节因子，可通过减少H2O2和清除ROS及氮自由基保护细胞免受氧化损伤。

NADPH 是一种递氢体，可参与各种代谢反应（如脂肪酸及核苷酸合成），还可维持体内还原性GSH 的水平及抵抗ROS 刺激等。肝脏中NADPH 主要来源于葡萄糖氧化的磷酸戊糖途径、苹果酸酶、叶酸代谢及IDH1 等。但IDH1-NADPH 对肝脏GSH 消耗最敏感，以保持氧化还原平衡［13］。此外，YING等［14］研究发现，敲除IDH1 可降低NADPH/NADP 和GSH/GSSG，增加ROS 水平并促进细胞坏死。相反，mtIDH1 可使IDH1 催化的前向反应丧失，导致NADPH 减少，促进ROS 发生。MOLENAAR 等［15］研究发现，含有异质性IDH1-R132H 突变的癌细胞ROS增加。

2.2 IDH1在肝脏疾病发生发展中的作用

2.1 IDH1 参与肝损伤 IDH1 与肝脏炎症密切相关。在急慢性肝炎时，常伴有肠道菌群移位及肠道内毒素如脂多糖（LPS）向循环系统转移，导致肠源性内毒素血症。LPS 可诱导肝脏巨噬细胞活化，促使其释放多种细胞因子和炎症递质，从而加重肝脏炎症。肝脏中免疫细胞是肝脏损伤的关键传感器，它们中的NADPH 氧化酶可促进肝损伤炎症的发生。另外，NADPH 含量与肝脏炎症的发生密切相关，NADPH 缺乏可影响氧化应激，从而激活相关肝脏炎症通路。IDH1 可通过调节细胞内NADP/NADPH，从而保护肝细胞免受LPS 诱导的氧化应激［16］。肝脏炎症常伴随着肝细胞的破裂与坏死，IDH1 位于细胞质中，IDH1 可能是肝功能损伤的标志之一。

MOREAU 等［17］研究发现，免疫细胞产生剧烈防御反应，刺激NADPH 氧化酶产生ROS 等物质，导致线粒体功能障碍，从而促进器官衰竭的发生，并且IDH1浓度在合并败血症时更高。本课题组前期研究显示，组蛋白去乙酰化酶抑制剂ACY-1215 可通过DDX3X/NLRP3信号通路改善糖解通路来抑制M1巨噬细胞的激活，促进IDH1表达，从而缓解肝衰竭［18］。

2.2 IDH1抑制肝纤维化进程 肝纤维化是各种慢性肝病的补偿性修复过程，肝星状细胞（HSCs）在肝纤维化的发生发展中起重要作用。活化HSC 的异常糖酵解活性是动态纤维生成与消除的主要调节者。XU 等［19］研究发现，TGF-β1可能通过抑制IDH1的表达来发挥其促进肝纤维化的作用。

此外，肝炎病毒可降低细胞内抗氧化能力，导致细胞内氧化应激、脂质过氧化和DNA 损伤的积累，诱导组织损伤，最终形成肝纤维化，因此与氧化应激相关的IDH1 可能是检测肝纤维化或治疗肝纤维化的治疗靶点之一。IDH1 的产物α-酮戊二酸还可以通过抑制乙酰辅酶A-EP300途径抑制HSCs的自噬，从而抑制HSCs的活化和肝纤维化［20］。

2.3 IDH1突变与乙酰化促进肝脏肿瘤形成 IDH1突变与多种肿瘤的发生发展以及转移密切相关。IDH1 突变在肝癌，尤其是与胆管细胞癌（IHCC）的发生密切相关。IDH1 突变可能通过以下几种途径促进肝脏肿瘤的发生。IDH1 突变通过肿瘤代谢物的积累如2-HG，对肝脏细胞分化、生长、缺氧信号以及氧化应激具有多效性影响。突变IDH1 还可以通过抑制α-KG 和NADPH 的产生，并且调节IHCC 中乙醛脱氢酶1 的表达，促进IHCC 的发生［21］。此外，突变IDH1促进氧化应激发生，而肝脏肿瘤的高增殖能力与氧化应激有关。在一项针对IDH1 突变的IHCC 临床实验中，靶向IDH1 突变药物AG-120 治疗中有5%患者部分缓解，56%患者病情稳定［22］。AG-120 可以抑制肿瘤代谢物2-HG 产生，促进mtIDH1的IHCC病情稳定和无进展生存期改善［23］。

此外，蛋白质乙酰化通过控制多种细胞途径来调节癌症细胞增殖，例如细胞周期、细胞凋亡和不同的代谢途径。关键致癌酶的乙酰化影响酶和非酶活性，从而促进肿瘤进展。WANG等［24］研究发现，在结直肠原发肿瘤和肝转移中IDH1 是高乙酰化的，K224 上IDH1的过度乙酰化与肝脏转移瘤和低生存率显著相关，IDH1 去乙酰化调节可抑制继发性肝脏肿瘤的发生。

综上所述，IDH1是IDH家族中一种依赖NADP，在过氧化物酶体和胞质中发挥作用的酶。IDH1 参与肝脏中糖、脂质、氨基酸代谢以及调节氧化应激，自身及其产物与肝脏炎症、肿瘤及肝纤维化等的发生密切相关。此外，IDH1与其产物参与肝脏能量代谢重编程过程。