IDH1/2突變誘導急性髓系白血病基因組高甲基化的研究進展*

阮經艷 綜述，曾 云△，狄 勇 審校

(1.昆明醫科大學第一附屬醫院血液科云南省血液病研究中心，昆明 650032；2.昆明醫科大學基礎醫學院生物化學與分子生物學系，昆明 650500)

·綜 述·

IDH1/2突變誘導急性髓系白血病基因組高甲基化的研究進展*

阮經艷1綜述，曾 云1△，狄 勇2審校

(1.昆明醫科大學第一附屬醫院血液科云南省血液病研究中心，昆明 650032；2.昆明醫科大學基礎醫學院生物化學與分子生物學系，昆明 650500)

異檸檬酸脫氫酶1/2突變；白血病，髓樣，急性；甲基化；2-羥基戊二酸

大量研究提示異檸檬酸脫氫酶1/2(isocitrate dehydrogenase1/2,IDH1/2)基因突變能誘導急性髓系白血病(acute myeloid leukemia，AML)基因組和組蛋白高甲基化，這些表觀遺傳學的改變會影響分化相關基因的表達，導致腫瘤細胞分化程度降低，出現惡性表現。同時以IDH1/2突變為靶點的小分子藥物能促進腫瘤細胞的分化。本文就該方向的研究進展作一綜述，期望能為AML的診斷、治療及預后評估提供新的思路。

AML是一組異質性惡性血液系統疾病，無論在形態學、免疫學、細胞遺傳學、分子生物學及臨床特點上都存在很大的差異。近幾年，表觀遺傳學范疇的基因突變包括異檸檬酸脫氫酶-1(IDH1)、異檸檬酸脫氫酶-2(IDH2)、TET甲基胞嘧啶雙加氧酶2(ten-eleven-translocation methylcytosine dioxygenase 2，TET 2)、DNA甲基化轉移酶3A(DNA methyltransferase 3A，DNMT3A)在AML中都被陸續檢測到[1]。IDH突變在成人AML尤其是正常核型AML中有較高的發生率[2]，該突變與AML的治療應答、預后等相關，由于其突變使體內過度累積的2-羥基戎二酸(2-HG)可以作為AML的一種檢驗標志物，并可作為其治療應答，評估預后的監測手段。IDH突變有可能逐漸成為一種新的判斷AML預后和指導治療的指標。

1 IDH的生物學特性

IDH在哺乳類動物細胞中存在3種同工酶：細胞質的NADP+依賴性IDH1，線粒體的NADP+依賴性IDH2和線粒體的NAD+依賴性IDH3。人類IDH1基因位于2號染色體q33.3，并且定位在細胞質和過氧化物酶體中；IDH2基因位于15號染色體q26.1；而IDH3基因位置尚未明確[3-4]。IDH基因編碼的IDH酶以NAD+或NADP+作為輔因子，催化異檸檬酸氧化脫酸變成α-酮戊二酸(α-KG)。IDH1和IDH2均參與了細胞內氧化損傷的防御機制[5]，除此之外IDH1還在脂質的代謝機制中起了重要作用[6]。因此，細胞中IDH功能障礙將會導致DNA的損傷及基因的不穩定。體內野生型IDH功能及突變IDH的活性[7]，見圖1。

2 AML中IDH的基因突變

現發現IDH突變包括有IDH1和IDH2兩種突變。經測序證實，IDH 基因4號外顯子存在有突變，導致其編碼的精氨酸被其他氨基酸替代,最終影響蛋白質功能，其包括3種主要突變即IDH1 R132、IDH2 R140、IDH2 R172突變[8]。在這3種突變中IDH1 R132突變的位點為132密碼子，可檢測到精氨酸被5種不同的氨基酸替代，分別為半胱氨酸(R132C，C394T，CGT-TGT)，亮氨酸(R132L，G395T，CGT-CTT)，甘氨酸(R132G，C394G，CGT-GGT)，組氨酸(R132H，G395A，CGT-CAT)和絲氨酸(R132S，C394A，CGT-AGT)，其中以R132H多見(約40%)，其次為R132C(約30%)。IDH2 R140突變的位點為140密碼子，可檢測到3種不同的氨基酸替代精氨酸，分別為谷氨酸鹽(R140Q，G419A，CGG-CAG)、亮氨酸(R140L)和色氨酸(R140W)。IDH2 R172突變的位點為172密碼子，除了個別為蛋氨酸取代精氨酸(R172M)之外，其余均為賴氨酸(R172K，G515A，AGG-AAG)取代精氨酸，其中R140突變約占80%[9]。在成人急性白血病中IDH1/2突變的共占5%～30%[10]，通常為染色體核型正常的患者[2]。Dinardo等[8]對826例AML患者進行分析，其中有167例患者出現IDH突變(占20%)，進一步對這167例患者分析發現，老年人居多，中位年齡為67歲；與未突變IDH患者相比，白細胞總數無差別，但中性粒細胞絕對值較低，且IDH1突變患者比IDH2突變的患者中性粒細胞絕對值更低；血小板相對較高；同時在這些患者中常伴有FMS樣酪氨酸激酶3-內部串聯重復(FLT3-ITD)或核仁磷酸蛋白1(NPM1)突變，且伴有NPM1而不伴FLT3-ITD的患者預后較好[2]。目前臨床IDH靶向藥物只用于臨床試驗階段，其治療主要依賴一些傳統的化療藥物，特別是年齡大于60歲的患者。對于年齡小于60歲的患者尚可采用去加氧柔紅霉素、阿糖胞苷、依托泊苷，或者傳統的化療聯合去甲基化藥物治療[11]。但有數據顯示，IDH突變型的患者和野生型患者使用去甲基化藥物相比及IDH突變型患者和未使用去甲基化藥物相比，形態學的完全緩解、部分緩解沒有差別，這說明去甲基化藥物對IHD突變的患者沒有明顯的治療優勢[12],Im等[13]也持有相近觀點。

3 IDH突變與AML組蛋白及基因組甲基化改變相關

為了證實IDH1/2突變與髓系白血病細胞基因組甲基化之間的關系，Sasaki等[14]使用lox-stop-1ox(LSL)系統將IDH1(R132H)引入到小鼠IDH基因位點,建立突變IDH1基因敲入小鼠(IDH1 LSL/WT)。再通過與LysMCre小鼠交配繁殖,得到了生長發育良好,具有正常的生命周期和繁殖能力的LysM-KI小鼠。在LysM-KI小鼠中發現突變IDH的表達引起早期造血細胞的數量升高，髓系血細胞的組蛋白明顯高甲基化，DNA甲基化狀態與含突變IDH1/2的AML細胞基因甲基化狀態極為相似。該動物模型實驗說明IDH突變與導致基因組高甲基化相關，而這種表觀遺傳學改變對造血細胞的分化產生了影響。

Me：甲基化；m：突變。

圖1 體內野生型IDH功能及突變IDH的活性

4 IDH突變致腫瘤基因組高甲基化的機制

IDH的突變導致酶與底物結合能力下降并形成異二聚體，與正常IDH酶競爭底物，使細胞內的α-KG水平下降。最初的猜想是α-KG的下降而激活低氧誘導因子1α(HIF1α)信號通路，促使腫瘤形成[15]。近年，Dang等[16]對有IDH1(R132H)突變腫瘤細胞進行代謝及生物化學結構的分析，指出突變的IDH蛋白產物可出現催化NADPH+H+依賴的還原反應能力，將α-KG還原為2-HG，隨后陸續的證實，IDH2 R172、IDH2 R140突變也會導致2-HG的過度積累[17-18]，后者被形象地稱之為癌代謝物[19],其過度積累會直接競爭性抑制多種α-KG依賴的雙加氧酶，包括組蛋白去甲基化酶和5-甲基胞嘧啶(5-mC)羥化酶TET家族，使細胞內組蛋白甲基化，而TET酶被抑制使細胞內5-羥甲基胞嘧啶(5-hmC)減少，相應的5-mC的過度積累最終使DNA高甲基化并降低相關基因的表達，進而影響造血干細胞的分化，促進腫瘤的形成[20]。

5 IDH突變導致細胞分化阻滯

近年來的大量研究結果提示，IDH突變導致腫瘤細胞分化受阻，使腫瘤細胞保持在低分化狀態，干性特征增強。如前述Sasaki等[14]在其建立的LysM-KI小鼠模型中，觀察到突變IDH的表達阻滯了造血細胞的正常分化。Losman等[21]報道在紅細胞白血病腫瘤細胞系TF-1的培養中加入R-2-HG或在基因組外表達突變IDH，可以使腫瘤細胞的表觀遺傳特征發生改變，細胞的分化能力降低，總體上惡性特征增強。關于突變IDH影響細胞分化的具體分子機制目前還不是很清楚，但可以肯定的是，基因組甲基化的改變是其中十分重要的途徑之一。值得注意的是，突變IDH引起DNA的CpG島甲基化表型(CpG Island Methylator Phenotype，CIMP)和組蛋白的抑制性甲基化標記水平升高，這兩種表觀遺傳學的改變均能使大量基因的表達異常,包括一系列分化調節基因。Lu等[22]進一步對IDH1/2突變軟骨肉瘤標本中的啟動子表現高度甲基化的基因進行DAVID分析發現，甲基化最顯著的基因包括維甲酸受體α(retinoic acid receptor α，RARA)，血小板源生長因子受體α(platelet-derived growth factor receptor α，PDGFRA)，B細胞淋巴瘤6蛋白輔阻遏物(BCL6 corepressor，BCOR)等分化相關的重要調節基因，說明IDH1/2突變在軟骨肉瘤中可能通過改變基因的表觀遺傳特征，對腫瘤細胞的干性維持有著重要作用。因此可以推測IDH突變導致的直接病理結局是：阻滯細胞的分化功能，促使細胞轉化和腫瘤發生。

6 靶向抑制突變的IDH可促進腫瘤細胞分化

從上述知道IDH突變致腫瘤的機制在于使表觀遺傳學調控異常，從而導致細胞分化受阻，使腫瘤細胞出現惡性表現，由此推測，如果能找到IDH突變的靶向抑制劑，是否有可能使腫瘤細胞重新分化。Kernytsky等[23]及Rohle等[24]在人類紅系白血病細胞中過表達IDH2 R149Q、IDH1 R132H突變，發現過度表達IDH2 R149Q、 IDH1 R132H突變的TF-1細胞其組蛋白與基因組DNA過度甲基化，并且這種超甲基化能夠被IDH1 R132H 的抑制劑(AGI-5198)和IDH2 R149Q 的抑制劑(AGI-6780)逆轉，進而阻止腫瘤的生長并且促進腫瘤細胞的分化，并且細胞內的2-HG水平下降。近年，IDH突變的抑制劑已經進入到了臨床試驗。2015年歐洲血液學協會(European Hematologic Association，EHA)年度會議提出：AG-221(選擇性IDH2突變的抑制劑)、AG-120(選擇性IDH1的突變抑制劑)運用于血液系統惡性腫瘤的Ⅰ期臨床試驗證明了這兩種抑制劑的安全性和有效性。同樣由Adios制藥公司推出的AG881,一種非選擇性IDH突變的抑制劑，它最大的優點是血腦屏障滲透性強，進而進入腦組織發揮作用，目前也處于Ⅰ期臨床試驗階段。

7 血清及尿液中2-HG的水平可作為一種非侵襲性的指標來評估伴IDH突變的AML的疾病活動及治療應答

由于2-HG作為IDH突變致腫瘤的重要中間產物，所以從2-HG入手，對其進行深入的探討顯得尤為重要。國外學者利用液相色譜-質譜分析法檢測含IDH突變的AML患者血清、尿液、骨髓液及原始粒細胞中2-HG水平,發現其可作為AML IDH突變蛋白的生物學活性檢測指標，并且可作為對該類患者進行化學治療的應答情況及預后評價一種非侵襲性、較簡便的指標。他們指出伴有IDH突變的急性白血病的未治療患者血清2-HG的水平均大于1 000 ng/mL,或者大于1 000 ng/2×106個原始粒細胞數。對于化學藥物治療后的患者血清中2-HG水平下降明顯，并且IDH等位基因突變也隨之下降，但是對于治療失敗的病例2-HG水平隨之也會上升[25]，對于有IDH突變治療后完全緩解的患者若血清2-HG的水平小于200 ng/mL，提示具有較好的總體生存率。而且此濃度也可作為微小殘留病灶患者接下來是否需要再治療的判斷指標。我國學者在234例細胞遺傳學正常的AML患者的研究，評估總體生存和無事件生存上，高2-HG水平都是一個獨立的預后不佳的因素[26]。

8 結 語

IDH基因的突變能引起細胞代謝、表觀遺傳和分化特征的改變。本文系統綜述了AML中IDH1/2突變引起相應基因表觀遺傳學改變，從而分化阻滯的作用及其相關機制。隨著研究的深入，IDH1/2突變抑制劑從動物實驗到臨床Ⅰ期試驗，證實了它們的有效性及可行性，很有希望在不遠的將來使血液腫瘤患者受益。而2-HG作為IDH突變后的過量中間代謝產物，亦可作為AML的疾病活動及治療應答的一種生物標志物，但目前尚未建立一個統一的量化的最低分子標準，隨著對2-HG不斷地探索，將來勢必成為應用于伴有IDH1/2突變的血液腫瘤診斷、治療及預后的一種有效的、易檢測的生物標志物。

[1]Mcdevitt MA.Clinical applications of epigenetic markers and epigenetic profiling in myeloid malignancies[J].Semin Oncol,2012,39(1):109-122.

[2]Boissel N,Nibourel O,Renneville A,et al.Differential prognosis impact of IDH2 mutations in cytogenetically normal acute myeloid leukemia[J].Blood,2011,117(13):3696-3697.

[3]Narahara K,Kimura S,Kikkawa K,et al.Probable assignment of soluble isocitrate dehydrogenase (IDH1) to 2q33.3[J].Hum Genet,1985,71(1):37-40.

[4]Oh IU,Inazawa J,Kim YO,et al.Assignment of the human mitochondrial NADP(+)-specific isocitrate dehydrogenase (IDH2) gene to 15q26.1 by in situ hybridization[J].Genomics,1996,38(1):104-106.

[5]Biaglow JE,Miller RA.The thioredoxin reductase/thioredoxin system:novel redox targets for cancer therapy[J].Cancer Biol Ther,2005,4(1):6-13.

[6]孫明東，鄭永青．異檸檬酸脫氫酶基因突變與急性髓系白血病的研究進展[J]．中國實驗血液學雜志，2014，22(5)：1485-1489．

[7]Dang L,Yen K,Attar EC.IDH mutations in cancer and progress toward development of targeted therapeutics[J].Ann Oncol,2016,27(4):599-608.

[8]Dinardo CD,Ravandi F,Agresta S,et al.Characteristics,clinical outcome,and prognostic significance of IDH mutations in AML[J].Am J Hematol,2015,90(8):732-736.

[9]Chotira S,Thongnoppakhun W.Molecular alterations of isocitrate dehydrogenase1 and 2 (IDH1 and IDH2) metabolic genes and additional genetic mutations in newly diagnosed acute myeloid leukemia patients[J].J Hematol Oncol,2012，5:5.

[10]Patel JP,Günen M,Figueroa ME,et al.Prognostic relevance of integrated genetic profiling in acute myeloid leukemia[J].N Engl J Med,2012,366(12):1079-1089.

[11]Paschka P,Schlenk RF,Gaidzik VI,et al.IDH1 and IDH2 mutations are frequent genetic alterations in acute myeloid leukemia and confer adverse prognosis in cytogenetically normal acute myeloid leukemia with NPM1 mutation without FLT3 internal tandem duplication[J].J Clin Oncol,2010,28(22):3636-3643.

[12]Benton C,Ravandi F.Case series of AML patients receiving hypomethylation therapy and retrospectively found to have IDH1 or IDH2 mutations[J].Leuk Lymphoma,2014,55(6):1431-1434.

[13]Im AP,Sehgal AR,Carroll MP,et al.DNMT3A and IDH mutations in acute myeloid leukemia and other myeloid malignancies:associations with prognosis and potential treatment strategies[J].Leukemia,2014,28(9):1774-1783.

[14]Sasaki M,Knobbe CB,Munger JC,et al.IDH1(R132H) mutation increases murine haematopoietic progenitors and alters epigenetics[J].Nature,2012,488(7413):656-659.

[15]Zhao S,Lin Y,Xu W,et al.Glioma-derived mutations in IDH1 dominantly inhibit IDH1 catalytic activity and induce HIF-1alpha[J].Science,2009,324(5924):261-265.

[16]Dang L,White DW,Gross S,et al.Cancer-associated IDH1 mutations produce 2-hydroxyglutarate[J].Nature,2009,462(7032):739-744.

[17]Gross S,Cairns RA,Minden MD,et al.Cancer-associated metabolite 2-hydroxyglutarate accumulates in acute myelogenous leukemia with isocitrate dehydrogenase 1 and 2 mutations[J].J Exp Med,2010,207(2):339-344.

[18]Ward PS,Patel J,Wise DR,et al.The common feature of leukemia-associated IDH1 and IDH2 mutations is a neomorphic enzyme activity converting alpha-ketoglutarate to 2-hydroxyglutarate[J].Cancer Cell,2010,17(3):225-234.

[19]Xu W,Yang H,Liu Y,et al.Oncometabolite 2-hydroxyglutarate is a competitive inhibitor of α-ketoglutarate-dependent dioxygenases[J].Cancer Cell,2011,19(1):17-30.

[20]Figueroa ME,Abdel-Wahab O,Lu C,et al.Leukemic IDH1 and IDH2 mutations result in a hypermethylation phenotype,disrupt TET2 function,and impair hematopoietic differentiation[J].Cancer Cell,2010,18(6):553-567.

[21]Losman JA,Looper RE,Koivunen P,et al.(R)-2-hydroxyglutarate is sufficient to promote leukemogenesis and its effects are reversible[J].Science,2013,339(6127):1621-1625.

[22]Lu C,Venneti S,Akalin A,et al.Induction of sarcomas by mutant IDH2[J].Genes Dev,2013,27(18):1986-1998.

[23]Kernytsky A,Wang F,Hansen E,et al.IDH2 mutation-induced histone and DNA hypermethylation is progressively reversed by small-molecule inhibition[J].Blood,2015,125(2):296-303.

[24]Rohle D,Popovici-Muller J,Palaskas N,et al.An inhibitor of mutant IDH1 delays growth and promotes differentiation of glioma cells[J].Science,2013,340(6132):626-630.

[25]Fathi AT,Sadrzadeh H,Borger DR,et al.Prospective serial evaluation of 2-hydroxyglutarate,during treatment of newly diagnosed acute myeloid leukemia,to assess disease activity and therapeutic response[J].Blood,2012,120(23):4649-4652.

[26]Wang JH,Chen WL,Li JM,et al.Prognostic significance of 2-hydroxyglutarate levels in acute myeloid leukemia in China[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2013,110(42):17017-17022.

10.3969/j.issn.1671-8348.2017.11.040

國家自然科學基金資助項目(81060046)；云南省衛生科技計劃資助項目(2014NS167)。 作者簡介：阮經艷(1990-)，在讀碩士，主要從事血液系統疾病的研究。△

，E-mail：zengyun_fyy@sina.com.cn。

R733

A

1671-8348(2017)11-1552-04

2016-12-01

2017-01-29)