异柠檬酸脱氢酶基因突变及其与胶质瘤关系的研究进展

金树梅，王新允

(1天津市环湖医院，天津300060;2天津医科大学)

胶质瘤是人中枢神经系统中最常见的肿瘤，是多因素、多阶段、多步骤参与的复杂过程，是多种基因改变累积的结果。胶质瘤生长部位特殊、多数呈浸润性生长，手术不易全切除，目前采用的手术切除辅以放化疗的综合治疗方法疗效仍不理想，预后普遍较差。随现代医学发展及综合治疗技术的进步，恶性胶质瘤的诊断与治疗有了很大提高，但其最佳的分子标志物仍存在争议，且临床疗效、预后并无明显改善。因此，积极探索胶质瘤发生、发展的分子机制并在肿瘤防治上寻找新的突破仍是当前医学研究热点。2008年，Parsons等［1］首先发现异柠檬酸脱氢酶1(Isocitrate dehydmgenase 1，IDH1)基因突变在胶质瘤发生中具有重要意义，但其作用机制目前尚不清楚。现将异拧檬酸脱氢酶(Isocitrate dehydmgenase，IDHs)基因突变及与胶质瘤关系的进展综述如下。

1 IDHs的结构、功能

真核生物中的IDHs尼克酰腺嘌呤二核苷酸(NAD)为电子受体的NAD-依赖型异柠檬酸脱氢酶(NAD-IDH)和以尼克酰腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP)为电子受体的NADP-依赖型异柠檬酸脱氢酶(NADP-IDH)。IDHs主要参与三羧酸循环，被认为是三羧酸循环的限速酶，负责催化异柠檬酸氧化脱羧产生 α-酮戊二酸(α-ketoglutarate，α-KG)，并将氧化型NAD/NADP还原成 NADH/NADPH。尽管真核生物NAD/NADP IDH是一个线粒体酶，但其基因却存在于细胞核染色体上，故其为一个核编码的线粒体酶［2］。人类基因组具有五种此类基因编码三种不同的 IDH，其功能分别依赖于 NADP(NADP+-dependent IDH1and IDH2)和NAD(NAD+-dependent IDH3);IDH2及IDH3位于线粒体中，参与柠檬酸循环以产生细胞代谢的能量，而IDH1位于细胞质和过氧化物酶体中［3］。

根据空间结构特点，NADP-依赖性IDH可分为同源二聚体IDH和单体IDH，两者对生物体的能量代谢、生物合成及抗氧化胁迫起重要作用，其中二聚体是其酶的活性形式。真核IDH1具有抗氧化作用，如哺乳动物细胞可合成大量的NADPH来维持抗氧化系统，以抵御因活性氧和活性氮积累造成的氧化胁迫［4］。R132残基位于所有 NADP+-依赖型IDHs，其在胶质瘤中主要为 R132(IDH1)和 R172(IDH2)位点的突变;大部分为IDH1基因突变，而IDH2的R172突变在胶质瘤中仅有较低频率发生;NAD+-依赖的IDHs突变在胶质瘤和其他肿瘤中均未发现［5］。

2 IDH1基因突变的致瘤机制

Zhaos等［6］报道IDH1基因突变可通过形成无催化活性的异二聚体抑制野生型-IDH1活性，进而导致细胞内α-KG水平明显下降，而α-KG下降则进一步导致脯氨酸羟基化酶(Prolythdroxylase)活力降低，增加缺氧诱导因子亚单位α(Oxia-indueiblefactor-l alpha，HIF-lα)的水平。HIF-lα 是一种转录蛋白，能在低氧环境中促使肿瘤生长。缺氧是胶质瘤等实体肿瘤的主要微环境特征，快速生长的肿瘤细胞超过肿瘤血管生成速度即可出现瘤细胞死亡，而HIF-lα则可通过各种方式的调节促进肿瘤对缺氧的耐受。细胞对氧和营养物质的消耗增加、实体肿瘤氧分压均值水平低于其正常起源组织时，HIF-lα能介导机体的整体和局部缺氧反应，促使肿瘤对低氧的耐受;缺氧时HIF-lα可通过增强其下游靶基因血管内皮生长因子 (Vascularendothelialgrowth factor，VEGF)的表达，刺激血管形成，为肿瘤生长、浸润及转移提供物质基础;肿瘤细胞过度增生、血管生长不足引起的新生瘤细胞局部低氧可反刺激HIF-lα表达，促使血管增生，为肿瘤进一步发展创造条件［7，8］。

一系列生化研究证实，突变的IDH1可使野生型IDH1的代谢产物α-KG转变成2-羟戊二酸(2-hydroxyglutarate，2-HG)，此揭开了上述新变酶体的神秘功能，同时提示呼吸代谢在发生IDH1突变体的肿瘤细胞中发生了改变［9，10］。IDH1突变的肿瘤细胞可产生过多的代谢产物2-HG，此不仅是功能的缺失，2-HG在肿瘤细胞恶性转化的表型中亦发挥特殊功能。大量对人胶质瘤全基因组DNA甲基化的分析发现，不同的甲基化方式与基因表达亚型有关［11］，且几乎所有的 IDH1突变都与高特异性的DNA甲基化—胶质瘤CpG岛甲基化表型(G-CIMP)有关，这种亚型相应地表现为少突胶质细胞样的表达亚型。但上述现象的作用机制目前尚不很清楚，在人类急性白血病的研究中也发现了类似现象［12］，有待进一步研究。

3 IDH1突变在胶质瘤中的发生频率及意义

IDH1在胶质瘤中的突变于2008年由Parsons等［1］首先报道，其通过对22例样本20 661个蛋白编码基因进行全测序以鉴定与肿瘤发生相关的基因突变，结果发现5例多形性胶质母细胞瘤(GBM)患者在IDH1的活性位点即132位精氨酸(R132)处发生频繁突变，胶质瘤中IDH1突变全部为4号外显子R132h杂合性、错义、点突变;进一步对149例GBM进行的检测发现，12%(18/149)存在IDH1的R132h突变，且IDH1突变多发生于年轻患者和继发性GBM中。

Hartmann等［13］对1 010例脑肿瘤患者的手术标本进行测序，结果发现IDH1(R132)突变率在弥漫性星形细胞瘤约为68%、少突胶质细胞瘤约为75%、少突星形细胞瘤约为71%、继发性GBM约为88%。随后，美国、法国、德国、意大利、日本等国家陆续对GBM基因的突变进行了检测，结果发现在WHOⅡ和Ⅲ级胶质瘤中突变率高达70%以上，在继发性胶质母细胞瘤高达85%以上，在原发性GBM发生频率仅为 5%［5，13～15］。Bleeker 等［16］对 672 例肿瘤标本(包括高级别胶质瘤，胃肠道间质瘤，黑色素瘤，膀胱癌，乳腺癌，结肠癌，肺癌，卵巢癌，胰腺癌，前列腺癌，甲状腺癌)］进行了测序，结果发现IDH1突变仅发生在胶质瘤中，此发现对胶质瘤的研究具有变革性意义。目前认为，IDH1 R132突变是胶质瘤发生的早期事件，较低级别胶质瘤表现为更高频率的突变［1，15，16］。IDH1 R132 位点与胶质瘤发生关系的具体意义尚不很清楚，目前已经研制出突变型IDH1蛋白抗体(IDH1R132H)，其可对肿瘤组织切片进行免疫组织化学检测，且与非肿瘤组织和反应性增生的组织无交叉免疫反应，可用于WHOⅡ级星形细胞瘤的特异性诊断［17，18］。

4 IDH突变与胶质瘤预后的关系

以往研究显示，HIF-lα途径激活与包括胶质瘤在内的多种肿瘤的恶性进展和不良预后有关［19，20］。Parsons等［1］发现，伴IDH1突变的胶质瘤较野生型IDH1肿瘤具有较好的预后。随后研究证实，伴IDH1(R132)突变的继发性GBM中位生存期(31个月)明显高于野生型IDH1的中位生存期(15个月)，而伴IDH1(R132)突变间变性星形细胞瘤中位生存期(65个月)明显高于野生型IDH1的中位生存期(20个月)［5］;在少突胶质细胞瘤和少突星形细胞瘤中，IDH1突变与1p和19q染色体缺失有关［21］，而此染色体缺失与胶质瘤对化疗敏感和较好预后有关［22］，推测IDH1突变可能影响胶质瘤的化疗效果，其具体机制尚需进一步研究。

最近，Hartmann等［23］分析了147例间变性星形细胞瘤和237例GBM，结果发现具有野生型IDH1的间变性星形细胞瘤总生存和疾病无恶化生存时间低于IDH1突变者，推测IDH1突变可能是判断患者生存期等预后指标最有意义和最重要的指标，但具体机制尚不很清楚。亦有研究发现，尽管在不同组织学类型胶质瘤中IDH1突变与DNA甲基化及代谢形式改变有关，且有IDH1突变患者生存期明显提高。目前大多数对胶质瘤治疗方法的改进可针对靶DNA甲基化来实现，主要是通过MGMT甲基化预测对治疗的敏感性，因此基于IDH1突变与MGMT甲基化关系的研究将有助于提高临床预测、指导治疗及对胶质瘤治疗途径的改进［24］。

5 展望

对IDH1突变与胶质瘤发生及其意义的研究，将有助于胶质瘤进一步分类及其发生机制的认识，有利于对胶质瘤形成和演进过程中分子病理学机制的不断阐明，进而为胶质瘤的诊断、治疗、预后判定及靶向性治疗提供可靠的证据。

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