異檸檬酸脫氫酶異構體及其突變在惡性腫瘤的研究進展*

梁瑞華，任 平，陳紅霞

(湖北科技學院藥學院，湖北 咸寧 437100)

異檸檬酸脫氫酶(isocitrate dehydrogenase，IDH)是生物體內重要的代謝酶，可催化異檸檬酸轉化為α-酮戊二酸(α-KG)與CO2，參與葡萄糖氧酵解、線粒體脂質合成、谷氨酰胺代謝及氧化還原調節等過程。IDH在人類中以IDH1、IDH2、IDH3 3種異構體形式存在，并在許多惡性腫瘤中存在著突變。突變的IDH具備了新的酶活性，從而導致α-KG向2-羥戊二酸(2-HG)的轉化，2-HG生成增多會造成細胞表觀遺傳的改變，導致DNA的異常高甲基化，抑制組蛋白脫甲基，使正常細胞的分化受到抑制，從而促進腫瘤的發生。本文將就IDH結構及其生物學效應和IDH突變在腫瘤發生中的作用及IDH突變抑制劑的研究現狀等方面進行綜述。

1 IDH異構體的結構與功能

1.1 IDH異構體的結構

IDH包括IDH1、IDH2和IDH3三種亞型，按照不同的亞型可以分為單體、同源二聚體及多聚體。IDH1以同源二聚體形式存在，每個同源二聚體由兩個IDH1單體結合形成，每個IDH1單體有一個clasp結構域、兩個大結構域和兩個小結構域，大小結構域通過β-折疊連接在一起[1]，在大小結構域的側面連接裂隙中，深的裂隙含有煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP)和異檸檬酸-金屬離子結合位點，淺的裂隙參與IDH構象的變化；IDH2和IDH1是結構高度相似的同工異構酶；IDH3是異源四聚體，包含有2個α亞基、1個β亞基、1個γ亞基[2]。

1.2 IDH的功能

IDH1和IDH2以煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADP)為輔助因子催化異檸檬酸氧化脫羧生成α-酮戊二酸(α-KG)和CO2；IDH3以NAD為輔助因子參與細胞能量代謝。IDH1存在于胞質和過氧化物酶體中，其基因位定于染色體2q33.3，編碼包含414個氨基酸殘基的蛋白。人體中的IDH1具有參與谷氨酰胺代謝、磷脂代謝、脂肪合成、維持細胞體內氧化還原穩態等作用；IDH2存在于線粒體中。其基因定位于染色體15q26.1，編碼包含452個氨基酸殘基的蛋白；IDH3存在于線粒體中。然而目前，編碼人類IDH3基因的定位及結構序列尚不清楚，但可以確定的是IDH2與IDH3都在三羧酸循環中參與細胞的能量代謝[3]。

2 IDH突變及其作用

IDH1和IDH2突變與腫瘤的發生發展有密切關系，IDH1突變多見于實體腫瘤，IDH2突變常見于血液系統腫瘤，但IDH3突變并不常見。IDH1/2突變通常是單個氨基酸的雜合錯義突變，這種突變使得IDH1/2酶活性位點的某個氨基酸被別的氨基酸所取代，其中精氨酸殘基(R132)(Arg132)的單個密碼子突變最常發生在IDH1[4]，而IDH2基因變最常發生于編碼其酶活性位點的第140和172位精氨酸殘基(R140和R172)密碼子。IDH1/2突變后轉變為另一種新型酶，這種新型酶會以α-KG為底物生成新的代謝產物2-羥基戊二酸(2-HG)。2HG與α-KG的結構具有相似性，能競爭性抑制依賴α-KG的雙加氧酶系(TET家族、JmjC組蛋白脫甲基酶和脯氨酰羥化酶等)，從而導致機體內一系列問題的出現，如TET蛋白被抑制后可導致5-甲基胞嘧啶羥基化受阻從而引起DNA甲基化；JmjC組蛋白脫甲基酶被抑制后會引起H3K9和H3K27甲基化增多，從而對體內細胞的分化起到阻礙作用；而脯氨酰羥化酶被抑制則會干擾缺氧誘導因子1α(HIF-1α)的穩定性，增加HIF-1α基因的表達，這些因素均被認為有助于腫瘤的發生。此外，有研究指出2-HG對線粒體電子傳輸鏈中的細胞色素C氧化酶(COX)的抑制可激活促凋亡的 BAX和BAK，干擾腫瘤細胞中谷氨酰胺的正常代謝[5-6]。另外，2-HG可通過影響NAPD/NAPDH平衡增加活性氧，從而導致細胞內氧化還原平衡受到破壞，促進腫瘤的發生[7]。

3 IDH突變與惡性腫瘤

3.1 IDH突變和急性髓系白血病(AML)

IDH突變在20%的急性髓系白血病(AML)患者中發生，IDH雜合突變包括IDH1 R132H/C、IDH2 R140Q和R172K。IDH1和IDH2突變的發生率相等且相互排斥，即兩者很少同時發生[8]，但IDH2 R140Q的發病率高于IDH2 R172K[9]。突變后的IDH1/2基因會增加2-HG的生成，高濃度的2-HG會使細胞分化受阻，進而造成未成熟的造血細胞增多，從而導致白血病的發生。這些突變基因能夠在白血病化療中存留下來，并在疾病緩解期增殖，最終致使髓系惡性腫瘤的復發，由此可見，IDH突變與血液系統腫瘤的發生與復發密不可分[10]。對新診斷為AML患者進行標準化療期間2-HG水平的前瞻性評估的研究顯示，2-HG水平和突變IDH1/2基因的表達均隨治療成功而逐漸降低，也會隨著治療失敗而再次升高。但是不同的IDH突變亞型在AML中具有不同的預后價值，目前仍存在爭議[11]。

3.2 IDH突變與膠質瘤(GBM)

IDH突變是腫瘤早期發生的現象，是膠質瘤發生的關鍵驅動因素[12]。2016年世界衛生組織(WHO)對樞神經系統(CNS)腫瘤的分類中，將星型細胞瘤、少突星形細胞瘤和少突膠質細胞瘤分為IDH突變型和IDH野生型兩類，依據1p/19q聯合缺失、ATRX和TP53突變等基因型特征進一步將IDH突變型分為：①伴有ATRX缺失和TP53突變的膠質瘤類型，彌漫性星形細胞瘤就屬于這一類型；②伴有1p/19q聯合缺失型，少突膠質細胞瘤屬于這一類型。研究表明[13]，在ATRX丟失的背景下，IDH突變通過ATM通路的上調增強對DNA損傷，提示彌漫性星形細胞瘤中ATRX缺乏可能影響DNA修復途徑和治療敏感性。在Ⅱ/Ⅲ級膠質瘤和膠質母細胞瘤中，最常見的IDH突變是IDH1 R132H(占IDH突變的85%～90%)，具有純合IDH1突變的膠質瘤顯示出比雜合突變的膠質瘤的2-HG水平要少得多[14]。此外，突變的IDH誘導產生的2-HG在膠質瘤中會抑制TET家族，進而導致膠質瘤CPG島甲基化表型(G-CIMP)，這種異常甲基化的形成與IDH突變型膠質瘤的發生密切相關 ，并影響患者的預后[15]。臨床研究表明，IDH1突變是膠質瘤獨立的、良好的預后標志物，但其僅對Ⅱ級和Ⅲ級膠質瘤預后有顯著影響，而對Ⅳ級膠質瘤基本無影響，在膠質瘤發展過程中，80%的低級別膠質瘤和95%復發的繼發性膠質瘤中基本都有IDH突變的發生[16]。

3.3 IDH突變和其他腫瘤

除了在膠質瘤和急性髓系白血病中會發生IDH突變外，在肝內膽管癌(ICCA)、軟骨肉瘤、前列腺癌等中均有IDH突變的報道。膽管癌中IDH1突變高于IDH2突變(比率10∶1)，以IDH1 R132C為最常見的突變(占IDH突變的50～60%)，在ICCA中經常發現有IDH1/2突變[17]，IDH突變體在肝細胞中的表達增多導致2-HG的過度累積，造成正常肝細胞的異常分化。有研究[18]發現在IDH1/2突變的IHCC患者中2-HG水平與腫瘤負荷直接相關。軟骨肉瘤也存在IDH1/2突變，類似于膽管癌的IDH突變[19]。有報道顯示[20]，內生軟骨瘤和中央型軟骨肉瘤的突變率大致相同，不僅在原發性中央軟骨肉瘤中有IDH1突變，在局部復發和轉移的軟骨肉瘤中也發現了相同的突變。

4 IDH突變抑制劑

近年來，人們一直在不斷研究針對IDH突變的抑制劑，隨著研究的不斷深入，幾種IDH突變抑制劑已經研發了出來。IDH抑制劑在AML患者中表現出良好的臨床反應，Ivosidenib(AG-120)是一種小分子藥物，是突變型IDH1的抑制劑，可降低血清總2-HG水平，并誘導突變型IDH1 AML細胞分化，FDA于2018年7月20日批準該藥物用于治療帶有IDH1突變的成人R/R AML[21]；Enasidenib(AG-221)是一種IDH2突變抑制劑，但其對IDH2 R172K突變的抑制作用強于IDH1 R140Q突變[22]，FDA已于2017年8月1日批準用于治療帶有IDH2突變的成人R/R AML[23]。BAY1436032是一種IDH1突變蛋白的變構抑制劑，它可以有效降低2-HG水平，抑制白血病干細胞的自我更新和增殖；Chaturvedi等[24]研發的IDH1抑制劑HMS-101可以有效阻止發生IDH1突變的AML患者白血病細胞的集落形成，并且不影響骨髓中正常CD34+細胞的增殖，還能顯著降低體外2-HG的水平；Rohle等[25]報道了一種新的IDH突變體合成抑制劑AGI-5198，該抑制劑能阻斷2-HG的產生，從而逆轉病情的惡化；IDH1R132H抑制劑通過降低2-HG促進組蛋白H3K9me3去甲基化，誘導腦膠質瘤細胞的分化，從而抑制腫瘤的發生。Li等[26]的研究表明，用AGI-5189作用于IDH突變型軟骨肉瘤細胞株后，降低了2-HG的生成，抑制了軟骨肉瘤細胞株的集落形成及其遷移距離，促進了軟骨肉瘤細胞的凋亡。

5 總 結

IDH在機體多種代謝途徑發揮著重要作用，而IDH突變與諸多腫瘤的發生發展密切相關。IDH突變后的產物2-HG在腫瘤發生發展中發揮著獨特作用，有望成為IDH突變相關腫瘤診斷及預后判斷的潛在指標，更可能成為多種腫瘤治療的新靶點。目前IDH突變抑制劑在急性髓系白血病和膠質瘤治療上取得了很大的進展，但對其他腫瘤的臨床治療效果如何尚需進一步的研究證實。IDH突變在腫瘤發生發展中確切機制尚不完全清楚，因此，進一步研究IDH突變在與腫瘤發生發展的作用是非常有必要的。隨著將來對IDH突變在相關腫瘤發生作用機理逐步探索，相信未來會研發出更多針對不同腫瘤IDH突變的靶向藥物。