低级别胶质瘤的分子遗传学研究进展

袁媛 徐玉乔 张志文 张丽英 石剑宽 谢忠林 王超 叶菁

(第四军医大学:1病理学与病理生理学教研室; 2唐都医院神经内科; 3西京医院心血管内科，陕西 西安 710032)

·综述·

低级别胶质瘤的分子遗传学研究进展

袁媛1徐玉乔1张志文1张丽英1石剑宽2谢忠林3王超1叶菁1*

(第四军医大学:1病理学与病理生理学教研室;2唐都医院神经内科;3西京医院心血管内科，陕西 西安 710032)

低级别胶质瘤; 分子病理; 表观遗传学

脑胶质瘤是起源于脑部神经胶质细胞，是最常见的颅内肿瘤之一。近30年来，原发性恶性脑肿瘤发生率逐年递增，年增长率约为1.2%，中老年人群尤为明显。根据美国脑肿瘤注册中心统计，恶性胶质瘤约占原发性恶性脑肿瘤的70%，年发病率约为5/100 000，每年新发病率超过14 000例，65岁以上人群发病率明显升高[1]。尽管神经影像学及胶质瘤的治疗均取得了一定的进展，但胶质瘤的预后远不能使人满意。低级别胶质瘤主要包括WHO I-II级的星形细胞肿瘤和WHO II级的少突胶质细胞瘤。近年来随着肿瘤遗传学研究的进展，对低级别脑胶质瘤的遗传学认识越来越深入，也为胶质瘤的治疗带来了希望。

一、异柠檬酸脱氢酶突变

异柠檬酸脱氢酶(isocitrate dehydrogenase,IDH)1、2和3均能够催化异柠檬酸的氧化脱羧作用，将异柠檬酸转变为α-酮戊二酸(α-ketoglutarate,α-kG)。IDH1和IDH2在结构上有70%的同源性，IDH2位于线粒体，主要完成三羧酸循环；而IDH1位于细胞质和过氧化物酶体，主要影响细胞脂肪和糖的代谢[2,3]。

由于在IDH1/2突变的肿瘤，只有一个拷贝的IDH基因发生突变，因此不可能出现功能缺失。IDH1/2突变后获得一个新的功能，即将α-KG转变为2-羟基戊二酸(2-hydroxylglutarate,2-HG)[4]。目前认为IDH1/2突变的胶质瘤中2-HG升高的水平高于正常的100～1000倍，并且2HG在结构上类似α-KG，因此能够抑制α-KG依赖的酶促反应，影响细胞的表观遗传学变化，众多研究认为2-HG与肿瘤的恶性过程相关，因此将2-HG称为癌代谢物[5]。

脑胶质瘤IDH1/2突变是近年来发现的最重要的遗传学改变。IDH1/2突变在WHO II-III级胶质瘤和继发性胶质母细胞瘤(WHO IV级)中发生率非常高(gt;80%)，但在原发性胶质母细胞瘤(WHO IV级)中突变率较低(约5%)。更多的研究显示，具有IDH1/2突变的胶质瘤患者较为年轻，且预后明显较野生型患者较好。在胶质瘤中，IDH1/2突变只是发生于一个等位基因上，即所有IDH1/2突变均是杂合状态，而且在胶质瘤中没有发现IDH1和IDH2同时突变。其中IDH1的突变主要发生在编码132位的第一和第二位碱基，IDH2突变主要位于第172位。目前，IDH1/2突变率已经成为胶质瘤患者诊断及预后判断的重要指标。因此，研究IDH1/2突变在胶质瘤发生过程的作用与发生机制具有重要的理论和临床意义。

二、ATRX

X染色体连锁的α地中海贫血/精神发育迟滞综合征(α-thalassemia/mental retardation syndrome X-lined,ATRX)的致病基因，该基因定位于X染色体长臂Xq21.1，由35个外显子和34个内含子组成，全长281kb，编码2492个氨基酸[6]。ATRX蛋白既是一种ATP依赖的解旋酶，也是重要的表观遗传调控因子之一，具有参与DNA的修复、转录调节和染色质重组等广泛的生物学功能[7]。ATRX失活可激活端粒延伸替代途径[8]，引起端粒延长，与肿瘤的发生发展密切相关。ATRX能通过与组蛋白变异体H3.3结合，并整合到端粒，从而在染色体重塑中发挥了重要作用[9]。

ATRX的表达水平与神经元的分化程度正相关，表明其在神经细胞发育中可能起重要作用[10]。近年来通过基因测序发现，约7%的成人胶质细胞肿瘤发现存在ATRX基因的突变，而ATRX基因突变往往导致ATRX蛋白失活[11]。在363例脑肿瘤的分析结果显示，ATRX突变常发生于Ⅱ级弥漫型星形细胞瘤(67%,n=15)、Ⅲ级间变型星形细胞瘤(73%,n=40)、继发性胶质母细胞瘤(57%,n=14)和少突星形胶质细胞瘤(68%,n=40)。但在Ⅰ级的毛细胞型星形细胞瘤中没有发现ATRX 突变，而原发性胶质母细胞瘤(4%,n=94)和单纯少突胶质细胞瘤(14%,n=50)的发生率也明显降低。

三、肿瘤抑癌基因TP53突变

人类TP53基因位于染色体17p13.1，全长共有16～20 kb，由10个内含子和11个外显子组成。野生型TP53是由393个氨基酸组成的与细胞分裂周期相关的核磷酸蛋白。当细胞DNA发生损伤时，野生型TP53可使细胞停留在细胞分裂G1期，使细胞有足够的时间修复受损的DNA以恢复正常；当DNA损伤严重无法修复时，TP53能够启动凋亡过程使受损细胞发生死亡，因此TP53在预防细胞基因突变、防止肿瘤发生过程中起重要作用[12]。突变型TP53出现功能缺陷，不但丧失抑癌活性，甚至可促进细胞向恶性细胞发生转变。众多研究已表明TP53突变是人类肿瘤最常见的遗传学改变之一，许多恶性肿瘤中可以发现TP53的缺失或突变。

TP53信号通路在神经胶质瘤发生发展中也发挥着非常关键的作用。已有研究表明，在 87%的胶质瘤中存在TP53信号通路的改变，在35%的神经胶质瘤中存在TP53自身突变和缺失。由于TP53失活直接使细胞基因组处于不稳定状态，从而容易获得更多的基因改变，伴随着基因受累增多，星形细胞瘤发生恶性转变，由低级别胶质瘤转变为高级别胶质瘤[13]。有研究分析指出伴有IDH1突变的低级别胶质瘤往往获得CpG岛的甲基化表型，继而伴随发生TP53基因突变，最终则可能发展成为高级别胶质瘤[14]。

四、人端粒酶逆转录酶启动子突变

人端粒酶逆转录酶(human telomerase reverse transcriptase,hTERT)是人类细胞端粒酶调控的限制成分。人端粒酶由作为合成端粒末端序列模板的RNA及具有逆转录酶催化活性的蛋白亚基所构成，TERT基因在大多数正常人体细胞中不表达。因此正常人体细胞缺乏端粒酶活性，端粒DNA长度随细胞分裂次数增多逐渐缩短，最终引起细胞衰老[15]。在正常细胞中表达hTERT能够重建端粒酶活性，促进细胞生长，延长细胞寿命，这些现象表明端粒酶在阻止细胞衰老的过程中发挥关键的作用。癌变过程可能造成 TERT重新表达，激活端粒酶稳定端粒长度，从而赋予肿瘤细胞永生化生长能力[16]。近年越来越多研究揭示TERT在肿瘤的发生和发展过程中起重要作用，而其中，端粒酶的异常活化被认为是人类肿瘤形成的关键步骤，已被公认为是治疗肿瘤的重要靶标之一。

近年来， TERT启动子突变被认为是IDH突变之后又一个与胶质瘤密切相关的遗传学改变。美国杜克大学医学中心Killela的研究团队对473例成人胶质瘤患者IDH和TERT启动子突变与总生存率的关系进行分析，认为检测此类基因突变可以作为胶质瘤组织病理学的辅助诊断。研究发现，74.2%的胶母细胞瘤中存在TERT启动子突变，而仅18.2%的Ⅱ～Ⅲ级星形细胞瘤中有TERT启动子突变。相反，在78.4%的Ⅱ～Ⅲ级星形细胞瘤中存在IDH突变。然而在79%的少突胶质瘤中，同时存在TERT启动子的突变和IDH突变[17]。此外，另有研究指出TERT启动子突变几乎不会见于儿童或青少年胶质瘤患者中，具体的原因及机制仍需进一步探索[18]。

五、1p/19q联合缺失

少突胶质细胞肿瘤占脑胶质瘤的15%～20%[19,20]，少突胶质细胞瘤在不同观察者之间的具有一定的差异。1998年，1p/19q缺失的发现为少突胶质细胞瘤的最重要的遗传学改变[21]，其见于50%～90%的少突胶质细胞瘤，尤其是一些具有典型少突胶质瘤形态的。在低级别胶质瘤中，1p/19q缺失和TP53突变是相互排斥的，而TP53突变主要发生在星形细胞瘤中。但是，1p/19q联合缺失预示着患者具有良好的预后，同时对一些治疗更为敏感，如PCV方案(甲基苄肼，环己亚硝脲和长春新碱)，替莫唑胺化疗，以及放疗敏感[22]。

六、主要遗传学改变的相关性研究

由于肿瘤基因组测序的发展，肿瘤遗传学变化被逐步应用到肿瘤的分类和预后分析，其中胶质瘤的遗传学与其分类的研究较为深入。利用TCGA数据库，我们分析了形态学诊断的78例星形细胞瘤和95例少突胶质细胞瘤的主要遗传学改变，利用IGV软件分析1p/19q联合缺失和7号染色体的扩增情况。结果显示，在形态学诊断为星形细胞瘤的胶质瘤中，IDH1/2突变率为68%，其中TP53突变占IDH1突变的星形细胞瘤的90%以上，而且ATRX的突变与IDH1/2和TP53突变具有明显的相关性，但是极少发生1p/19q联合缺失。另外，在没有的IDH1/2突变的星形细胞瘤中更易出现7号染色体的扩增，这些表现更类似与胶质母细胞瘤，可能预示着其可能发展为继发性胶质母细胞瘤。

在组织学为少突胶质瘤的肿瘤中，IDH1/2突变占88%，而且1p/19q缺失发生率为61%，且具有1p/19q缺失的少突胶质瘤中，均有IDH1/2突变。在形态学诊断的少突胶质瘤中，无1p/19q缺失但具有IDH1/2突变的肿瘤中，大多具有TP53和ATRX突变，这种遗传学改变被认为主要出现于星形细胞瘤。

IDH1/2、TP53突变，以及1p/19q缺失是胶质瘤最为常见的遗传学改变，大于90%的胶质瘤至少携带上述一种遗传学改变。最近对TCGA数据的深入分析结果也显示[14]，对IDH1/2、TP53突变和1p/19q缺失状态的分析比组织学分类更有利于患者的预后判断。在具有IDH突变和1p/19q缺失的低级别胶质瘤患者临床预后最好。在具有IDH突变但没有1p/19q缺乏的胶质瘤患者中往往具有TP53突变(94%)和ATRX失活(86%)。大部分没有IDH突变的低级别胶质瘤往往具有与原发胶质母细胞类似的遗传学改变和临床行为。通过对多个胶质瘤基因组数据的分析，以IDH突变、1p/19q缺失和TP53突变为基础的分子分型，其比传统组织学分型更具优势。

1Ostrom QT,Gittleman H,Liao P,et al. CBTRUS statistical report:primary brain and central nervous system tumors diagnosed in the United States in 2007-2011 [J]. Neuro Oncol,2014,16(Suppl 4):iv1-63.

2Metallo CM,Gameiro PA,Bell EL,et al. Reductive glutamine metabolism by IDH1 mediates lipogenesis under hypoxia [J]. Nature,2011,481(7381):380-384.

3Koh HJ,Lee SM,Son BG,et al. Cytosolic NADP+-dependent isocitrate dehydrogenase plays a key role in lipid metabolism [J]. J Biol Chem,2004,279(38):39968-39974.

4Megova M,Drabek J,Koudelakova V,et al. Isocitrate dehydrogenase 1 and 2 mutations in gliomas [J]. J Neurosci Res,2014,92(12):1611-1620.

5Kalinina J,Carroll A,Wang L,et al. Detection of "oncometabolite" 2-hydroxyglutarate by magnetic resonance analysis as a biomarker of IDH1/2 mutations in glioma [J]. J Mol Med (Berl),2012,90(10):1161-1171.

6Houdayer CI,Toutain A,Ronce N,et al. X-linked alpha-thalassemia/mental retardation syndrome. Linkage analysis in a new family further supports localization in proximal Xq [J]. Ann Genet,1993,36(4):194-199.

7Eisen JA,Sweder KS,Hanawalt PC. Evolution of the SNF2 family of proteins:subfamilies with distinct sequences and functions [J]. Nucleic Acids Res,1995,23(14):2715-2723.

8Bassett AR,Cooper SE,Ragab A,et al. The chromatin remodelling factor dATRX is involved in heterochromatin formation [J]. PLoS One,2008,3(5):e2099.

9Lewis PW,Elsaesser SJ,Noh KM,et al. Daxx is an H3.3-specific histone chaperone andcooperates with ATRX in replication-independent chromatin assembly at telomeres [J]. Proc Natl Acad Sci USA,2010,107 (32):14075-14080.

10Berube NG,Mangelsdorf M,Jagla M,et al. The chromatin-remodeling protein ATRX is critical for neuronal survival [J]. J Clin Invest,2005,115(2):258-267.

11Kannan K,Inagaki A,Silber J,et al. Whole-exome sequencing identifies ATRX mutation as a key molecular determinant in lower-grade glioma [J]. Oncotarget,2012,3(10):1194-1203.

12Weiss JM,Weiss NS,Ulrich CM,et al. Nucleotide excision repair genotype and the incidence of endometrial cancer:effect of other risk factors on the association [J]. Gynecol Oncol,2006,103(3):891-896.

13Mayo LD,Donner DB. The PTEN,Mdm2,P53 tumor suppressor-oncoprotein network [J]. Trends Biochem Sci,2002,27(9):462-467.

14Cancer Genome Atlas Research Network,Brat DJ,Verhaak RG,et al. Comprehensive,integrative genomic analysis of diffuse lower-grade gliomas [J]. N Engl J Med,2015,372(26):2481-2498.

15Wang SS,Zaklan VA. Telomere-recombination provides an express pathway for telomere acquisition [J]. Nature,1990,345(6274):456-458.

16Cao Y,Li H,Deb S,et al. TERT regulates cell survival independent of telomerase enzymatic activity [J]. Oncogene,2002,21(20):3130-3138.

17Killela PJ,Pirozzi CJ,Healy P,et al. Mutations in IDH1,IDH2,and in the TERT promoter define clinically distinct subgroups of adult malignant gliomas [J]. Oncotarget,2014,5(6):1515-1525.

18Koelsche C,Sahm F,Capper D,et al. Distribution of TERT promoter mutations in pediatric and adult tumors of the nervous system [J]. Acta Neuropathol,2013,126(6):907-915.

19Bromberg JE,van den Bent MJ. Oligodendrogliomas:molecular biology and treatment [J]. Oncologist,2009,14(2):155-163.

20Weiler M,Wick W. Molecular predictors of outcome in low-grade glioma [J]. Curr Opin Neurol,2012,25(6):767-773.

21Cairncross JG,Ueki K,Zlatescu MC,et al. Specifc genetic predictors of chemotherapeutic response and survival in patients with anaplastic oligodendrogliomas [J]. J Natl Cancer Inst,1998,90(19):1473-1479.

22Weller M,Berger H,Hartmann C,et al. Combined 1p/19q loss in oligodendroglial tumors:predictive or prognostic biomarker ? [J]. Clin Cancer Res,2007,13(23):6933-6937.

1671-2897(2016)15-375-03

国家自然科学基金资助项目(81572471)；陕西省自然科学基础研究计划资助项目(2016JM8100)

袁媛，硕士，E-mail:yy12103034@163.com

*通讯作者：叶菁，副教授，博士生导师，E-mail:yejing@fmmu.edu.cn

R 739

A

2015-09-27；

2016-01-20)