异柠檬酸脱氢酶基因突变在脑胶质瘤中的研究进展

夏松松　慕璐岩　综述　林志国#　黄建平　审校哈尔滨医科大学附属第一医院功能神经外科，哈尔滨5000美国佛罗里达大学，佛罗里达州甘斯威尔　36

异柠檬酸脱氢酶基因突变在脑胶质瘤中的研究进展

夏松松1慕璐岩1综述林志国1#黄建平2#审校
1哈尔滨医科大学附属第一医院功能神经外科，哈尔滨1500012美国佛罗里达大学，佛罗里达州甘斯威尔32611

异柠檬酸脱氢酶1（IDH1）基因突变在神经胶质瘤中的研究备受关注。IDH1突变导致酶原有活性下降，同时获得将α-酮戊二酸转化为2-羟戊二酸的新功能，并改变了胶质瘤的表观遗传学特征，使胶质瘤代谢重编程，破坏胶质瘤氧化还原稳态。本文简述了IDH1突变在胶质瘤中的机制、诊断价值、预后判断和靶向治疗的国内外研究进展，为IDH1突变深入研究、进一步了解胶质瘤病因及干预措施打下基础，亦为胶质瘤分子水平分类和治疗提供新思路。

胶质瘤；异柠檬酸脱氢酶；突变

胶质瘤是人类中枢神经系统最常见的恶性肿瘤，占颅内肿瘤的40%～50%，根据2007年世界卫生组织（world health organization，WHO）的分类方案分为星形细胞瘤、少突胶质细胞肿瘤、少突胶质星形细胞瘤、室管膜肿瘤、脉络膜丛肿瘤、神经元和混合性神经元-神经胶质肿瘤、其他神经上皮组织肿瘤等。胶质瘤具有生长迅速、易复发、病死率高等特点，是威胁人类健康的恶性疾病。

1　异柠檬酸脱氢酶（IDH）的结构与功能

IDH在生物体内有两种存在形式，即以NADP为辅酶的NADP-依赖型IDH（包括IDH1与IDH2，两者属于同工异构酶）及以NAD为辅酶的NAD-依赖型IDH（IDH3）。其中IDH1和IDH2可分为同源二聚体和单体，而IDH3是四聚体，它是由2个α亚基、1个β亚基、1个γ亚基组成的功能单位［1］。IDH1存在于胞质和过氧化物酶体中，基因定位于染色体2q33.3，全长为18 854个核苷酸，其mRNA长度为2339 bp，有10个外显子，仅一种剪切方式，其编码的IDH1酶有414个氨基酸，真核生物中IDH1具有抗氧化作用，以维持生物体内的抗氧化系统，还有促进脂质合成作用；IDH2存在于线粒体中，基因定位于15q26.1，全长18 499个核苷酸，其mRNA长度为1740 bp，有11个外显子，仅一种剪切方式，其编码的IDH2酶有452个氨基酸；IDH2与IDH3主要参与细胞的能量代谢［2-3］。

三羧酸循环是人体重要的产能过程，由一系列酶促反应构成的循环反应系统。在该反应过程中，首先由乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合生成含有3个羧基的柠檬酸，经过4次脱氢，2次脱羧，生成4分子还原当量和2分子CO2，重新生成草酰乙酸的这一循环反应过程成为三羧酸循环。在异柠檬酸脱氢酶作用下，异柠檬酸的仲醇氧化成羰基，生成草酰琥珀酸（oxalosuccinicacid）的中间产物，后者在同一酶作用下，快速脱羧生成α-酮戊二酸（α-ketoglutarate，α-KG），同时将NADP+/NAD+转化为NADPH/NADH，此反应为β-氧化脱羧，此酶需要镁离子作为激活剂。此反应是不可逆的，是三羧酸循环中的限速步骤，ADP是异柠檬酸脱氢酶的激活剂，而ATP、NADH和NAD是此酶的抑制剂。

2　IDH基因突变类型

IDH三种亚型中IDH1基因突变是胶质瘤中最常见的突变类型，IDH2较少见，尚未发现IDH3基因突变。2008年，Parsons等［4］首先发现了IDH1在胶质瘤中的突变，他们通过测定22例样本中20 661个蛋白编码基因，显示5例胶质母细胞瘤患者在IDH1的活性中心即R132处频繁发生突变；后续实验还发现IDH1与IDH2突变是单等位基因的杂合、错义，点突变R132H（132位精氨酸突变为组氨酸）是最常见的突变，约占90%，因395号碱基由鸟嘌呤（G）突变为腺嘌呤（A），致使组氨酸残基取代精氨酸残基。此外，R132C（132位精氨酸突变为半胱氨酸）、R132S（132位精氨酸突变为丝氨酸）、R132G（132位精氨酸突变为甘氨酸）、R132L（132位精氨酸突变为亮氨酸）都会发生突变，但突变频率要远低于R132H。IDH2突变也是点突变导致的氨基酸置换，R172K（172位精氨酸突变为赖氨酸）是最常见的突变，位于IDH2的酶活性中心，其他位点突变比较少。

3　IDH基因突变在脑胶质瘤中的致癌机制

IDH基因突变导致HIF-1α通路激活可能是其致癌机制之一［3，5-6］。前文已述IDH是三羧酸循环的限速酶，在此酶作用下，异柠檬酸快速脱羧生成α-酮戊二酸。IDH基因突变致使其催化异柠檬酸氧化脱羧生成α-酮戊二酸的能力下降。脯氨酰羟化酶（prolyl hydroxylase，PHD）是一种依赖α-酮戊二酸的双加氧酶，调节促进HIF-1α的降解。α-KG作为PHD必需的协同底物，参与HIF-1α催化降解过程。α-酮戊二酸合成减少导致PHD活性下降。正常情况下HIF-1α在PHD作用下羟化，并随后进行蛋白酶体降解。由于PHD活性下降，最终激活HIF-1α和HIF-1β组成的异源二聚体转录活性，诱导HIF-1α靶基因的表达，从而打开了HIF-1信号通路。

HIF-1活性对维持肿瘤细胞的能量代谢、肿瘤血管生成、促进肿瘤细胞增殖和转移起重要作用，是肿瘤中低氧诱导的关键分子。HIF-1α是HIF-1的关键因子，其过度表达，诱导HIF-1信号转导通路下游基因的表达，使肿瘤细胞适应低氧环境，继续增殖，并具有高侵袭与转移能力以及对放射和化学疗法的耐受性。研究发现HIF活化后，一方面可以促使成纤维母细胞中的小窝蛋白（Cav1）发生自体吞噬降解，小窝蛋白的降解可抑制周围癌细胞的凋亡［7］；另一方面它通过增强其下游的靶基因——血管内皮生长因子（VEGF）的表达，刺激血管增生，为肿瘤细胞的生长、浸润及远处转移提供必要的条件［8］；另外，胶质瘤细胞生长迅速，耗氧量大，因此缺氧是肿瘤细胞的主要微环境特征，然而，HIF-1α可以通过多种机制调节胶质瘤细胞对缺氧的耐受，促进肿瘤细胞不断增生。

IDH基因突变导致胶质瘤细胞的全基因组表观遗传学改变也被认为是一种IDH基因突变致癌的机制［9］。TET家族蛋白质羟化酶2（ten-eleven translocation 2，TET2）是一种α-KG依赖的双加氧酶，TET2可以催化5-甲基胞嘧啶（5-methycytosine，5mC）转化为DNA甲基化的中间产物5-羟甲基胞嘧啶（5-hydroxymethycytosine，5hmC），α-KG表达水平会影响TET蛋白酶的催化活性［10-11］。IDH的突变不仅失去正常的酶催化活性，降低α-KG的生成，并且获得了一个新的功能，可将异柠檬酸转化为2-羟戊二酸（2-hydroxyglutaric acid，2-HG），2-HG是一种在结构上类似于α-KG的分子，能拮抗α-KG竞争性抑制多种α-KG依赖性的双加氧酶，包括组蛋白去甲基化酶和5mC羟化酶TET家族，从而使组蛋白甲基化水平上调及5hmC下降。因此IDH基因突变降低了TET2的催化活性，最终导致DNA高甲基化并降低相关基因的表达［6，12］。对胶质瘤样品进行DNA甲基化图谱分析，结果发现在某些样品中存在过度甲基化修饰现象，并称之为胶质瘤CPG岛甲基化表型（G-CIMP）。Sevin等［13］证明IDH基因突变可直接导致G-CIMP的产生，这表明单独的IDH基因突变可产生高甲基化表型。在表达IDH基因突变的胶质细胞中还发现5hmC的减少以及组蛋白去甲基化酶受2-HG抑制，这些作用改变了组蛋白赖氨酸甲基化状态。现在认为IDH基因突变主要是通过2-HG降低TET2的活性来产生表观遗传学改变［10，14］。

在正常情况下，人体内2-羟戊二酸的含量极低。一旦IDH发生突变，其中精氨酸132突变为组氨酸时，活性部位残基所产生的结构变化倾向于减少IDH1对异柠檬酸盐的氧化脱羧作用，并且获得将α-KG转化为2-HG的能力，并催化α-酮戊二酸NADPH依赖性还原为2-HG，使其含量急剧升高。已有研究表明，缺乏2-HG脱氢酶的患者，2-HG在人体内大量积累与脑部恶性肿瘤的发生及发展有十分重要的关系［15］。通过对2-羟戊二酸脱氢酶缺乏患者的头部磁共振以及脑脊液分析发现，2-HG的大量累积可以影响大脑白质的结构及功能，最终导致脑白质病变，进一步增加了脑胶质瘤发病的风险［15］。这也被认为是IDH基因突变导致胶质瘤产生、发展的机制之一。

4　IDH基因突变在脑胶质瘤中的发生率

WHO根据胶质瘤的恶性程度分为4个等级，WHOⅠ～WHOⅣ级，恶性程度依次增高。IDH不仅在胶质瘤各级别中突变率不相同，在同级别胶质瘤中的突变表达情况也相差很大。王君祥等［16］曾做过相关实验，实验人员选取经病理证实的125份胶质瘤标本作为观察组，选取同期除胶质瘤外其他颅内肿瘤（如脑膜瘤、垂体瘤胚生殖细胞瘤等）作为对照组，采用基因芯片扩增及测序、免疫组化技术和统计学方法分析不同级别和类型细胞中IDH的突变率，结果显示：WHOⅠ级中毛细胞星形细胞瘤突变率为0；WHOⅡ级中弥漫性星形细胞瘤、少突胶质细胞瘤、少突星形细胞瘤突变率为66.7%～68.8%，室管膜瘤突变率为0；WHOⅢ级中间变性星形细胞瘤、间变性少突胶质细胞瘤、间变性少突星形细胞瘤的突变率分别为75.0%、57.1%和75.0%，间变性室管膜瘤为0；WHOⅣ级中继发性胶质母细胞瘤和原发性胶质母细胞瘤的突变率分别为77.8%和15.0%。Hartmann等［17］对l010例脑胶质瘤患者的标本进行试验，IDH基因突变情况为：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7l%，继发性GBM约为88%，结果与上述实验数据基本相符。总结国内外文献报道，在弥漫性星形细胞瘤、少支胶质细胞瘤、少支星形细胞瘤、间变性星形细胞瘤、间变性少支胶质细胞瘤、间变性少支星形细胞瘤及GB中可检测到IDH1突变。而在毛细胞星形细胞瘤、室管膜瘤、间变性室管膜瘤及髓母细胞瘤未能检测到IDH1突变。从神经病理的WHO分级来看，WHOⅠ级胶质瘤IDH1基因突变率为0%，WHOⅡ级为57.1%，WHOⅢ级为66.7%，WHOⅣ级为34.6%［18］。在胶质瘤中IDH1突变与1p/19q、TERT Promoter等标志物突变存在一定关联。Eckel-Passow等［19］曾做过相关试验，选取615例胶质瘤患者，IDH1、1p/19q及TERT Promoter同时突变的约占29%；TERT Promoter和IDH基因突变的占5%；只有IDH基因突变占45%；只有TERT Promoter突变的占10%；10%的人有其他的组合；三者都是阴性的为7%。

由于胶质瘤各亚型中IDH基因突变率不同，因此可通过检测IDH基因突变情况达到鉴别胶质瘤亚型目的。毛细胞星形细胞瘤与弥漫性星形细胞瘤在组织学上十分相似，然而它们的治疗方法却截然不同，鉴于以上结果毛细胞星形细胞瘤突变率为0，弥漫性星形细胞瘤突变率为66.7%～68.8%，我们可以发现这两种肿瘤的IDH基因突变情况有很大差别，因此通过检测IDH基因突变情况来区分这两种肿瘤亚型，给患者带来最适合的治疗方案，取得最好的治疗效果［20-21］。同样道理也可以应用于原发性胶质瘤与继发性胶质瘤的鉴别诊断。

5　IDH基因突变与胶质瘤预后

鉴于以往研究，IDH基因突变会激活HIF-1α途径以及CpG岛甲基化表型，进而引起胶质瘤的恶性进展，但Tanaka等［22］发现，IDH基因突变的胶质瘤预后往往比未发生突变的胶质瘤好，生存期延长。Waitkus等［3］的试验证明了这一点，IDH基因突变的胶质母细胞瘤患者平均生存期为31个月，未突变者平均生存期为15个月；IDH基因突变的间变性星形细胞瘤平均生存期为65个月，而未突变者为20个月。随后的试验也得出相似结果：WHOⅡ级胶质瘤IDH1突变型患者生存期（95周）高于IDH1未突变患者（64周），WHOⅢ级IDH1突变组（64周）高于IDH1未突变组（51周），WHOⅣ级IDH1突变型组（58周）高于IDH未突变组（48周）［20］。理论上，Ⅳ级患者生存期要比Ⅲ级患者生存期短，但从研究结果中发现，WHOⅣ级IDH1突变型组的生存期要比WHOⅢ级IDH1未突变组长，因此，IDH基因突变也可以作为胶质瘤患者预后的一项指标。IDH基因突变后通过什么机制提高胶质瘤患者愈后，延长患者生存期至今不明确，相关研究表明IDH基因突变时常伴随1p19q染色体缺失，此染色体缺失后，胶质瘤患者对化疗更加敏感，推测IDH基因突变后通过增强化疗效果而影响预后［23］。还有专家设想是否通过抑制肿瘤细胞的增殖来达到目的。Ki-67是细胞周期中出现的核抗原，在临床中常被用来作为检测肿瘤增殖的指标。研究IDH基因突变与Ki-67的关系或许能够找到答案［24］。

6　小结及展望

综上所述，IDH基因突变对胶质瘤来说是一把双刃剑，它既能促进胶质瘤的产生、发展及恶化，又能延长胶质瘤患者的生存期，改善预后。随着分子遗传学和免疫学技术的不断进步，对于IDH基因突变的深入研究将有助于阐明胶质瘤形成和发展过程的机制，进而有利于胶质瘤的筛查、鉴别诊断和分级，为胶质瘤的治疗提供新的思路和方法，如：IDH基因突变不仅可以作为胶质瘤患者预后的标志［25］，还可以为靶向药物治疗提供新的靶点；α-KG类似物可以抑制HIF-1α的活性，阻断信号通路的激活，从而降低肿瘤细胞的增殖，为胶质瘤的药物治疗提供新的思路；IDH基因突变可将α-KG转化为2-HG，因此作用于2-HG的产生过程也为抑制胶质瘤的发生提供可能。进一步延长患者生存期，提高患者的生存质量。

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（corresponding author），邮箱：linzhiguo@hotmail.com；jianping.huang@neurosurgery.ufl.edu