异柠檬酸脱氢酶异构体及其突变在恶性肿瘤的研究进展*

梁瑞华，任 平，陈红霞

(湖北科技学院药学院，湖北 咸宁 437100)

异柠檬酸脱氢酶(isocitrate dehydrogenase，IDH)是生物体内重要的代谢酶，可催化异柠檬酸转化为α-酮戊二酸(α-KG)与CO2，参与葡萄糖氧酵解、线粒体脂质合成、谷氨酰胺代谢及氧化还原调节等过程。IDH在人类中以IDH1、IDH2、IDH3 3种异构体形式存在，并在许多恶性肿瘤中存在着突变。突变的IDH具备了新的酶活性，从而导致α-KG向2-羟戊二酸(2-HG)的转化，2-HG生成增多会造成细胞表观遗传的改变，导致DNA的异常高甲基化，抑制组蛋白脱甲基，使正常细胞的分化受到抑制，从而促进肿瘤的发生。本文将就IDH结构及其生物学效应和IDH突变在肿瘤发生中的作用及IDH突变抑制剂的研究现状等方面进行综述。

1 IDH异构体的结构与功能

1.1 IDH异构体的结构

IDH包括IDH1、IDH2和IDH3三种亚型，按照不同的亚型可以分为单体、同源二聚体及多聚体。IDH1以同源二聚体形式存在，每个同源二聚体由两个IDH1单体结合形成，每个IDH1单体有一个clasp结构域、两个大结构域和两个小结构域，大小结构域通过β-折叠连接在一起[1]，在大小结构域的侧面连接裂隙中，深的裂隙含有烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP)和异柠檬酸-金属离子结合位点，浅的裂隙参与IDH构象的变化；IDH2和IDH1是结构高度相似的同工异构酶；IDH3是异源四聚体，包含有2个α亚基、1个β亚基、1个γ亚基[2]。

1.2 IDH的功能

IDH1和IDH2以烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADP)为辅助因子催化异柠檬酸氧化脱羧生成α-酮戊二酸(α-KG)和CO2；IDH3以NAD为辅助因子参与细胞能量代谢。IDH1存在于胞质和过氧化物酶体中，其基因位定于染色体2q33.3，编码包含414个氨基酸残基的蛋白。人体中的IDH1具有参与谷氨酰胺代谢、磷脂代谢、脂肪合成、维持细胞体内氧化还原稳态等作用；IDH2存在于线粒体中。其基因定位于染色体15q26.1，编码包含452个氨基酸残基的蛋白；IDH3存在于线粒体中。然而目前，编码人类IDH3基因的定位及结构序列尚不清楚，但可以确定的是IDH2与IDH3都在三羧酸循环中参与细胞的能量代谢[3]。

2 IDH突变及其作用

IDH1和IDH2突变与肿瘤的发生发展有密切关系，IDH1突变多见于实体肿瘤，IDH2突变常见于血液系统肿瘤，但IDH3突变并不常见。IDH1/2突变通常是单个氨基酸的杂合错义突变，这种突变使得IDH1/2酶活性位点的某个氨基酸被别的氨基酸所取代，其中精氨酸残基(R132)(Arg132)的单个密码子突变最常发生在IDH1[4]，而IDH2基因变最常发生于编码其酶活性位点的第140和172位精氨酸残基(R140和R172)密码子。IDH1/2突变后转变为另一种新型酶，这种新型酶会以α-KG为底物生成新的代谢产物2-羟基戊二酸(2-HG)。2HG与α-KG的结构具有相似性，能竞争性抑制依赖α-KG的双加氧酶系(TET家族、JmjC组蛋白脱甲基酶和脯氨酰羟化酶等)，从而导致机体内一系列问题的出现，如TET蛋白被抑制后可导致5-甲基胞嘧啶羟基化受阻从而引起DNA甲基化；JmjC组蛋白脱甲基酶被抑制后会引起H3K9和H3K27甲基化增多，从而对体内细胞的分化起到阻碍作用；而脯氨酰羟化酶被抑制则会干扰缺氧诱导因子1α(HIF-1α)的稳定性，增加HIF-1α基因的表达，这些因素均被认为有助于肿瘤的发生。此外，有研究指出2-HG对线粒体电子传输链中的细胞色素C氧化酶(COX)的抑制可激活促凋亡的 BAX和BAK，干扰肿瘤细胞中谷氨酰胺的正常代谢[5-6]。另外，2-HG可通过影响NAPD/NAPDH平衡增加活性氧，从而导致细胞内氧化还原平衡受到破坏，促进肿瘤的发生[7]。

3 IDH突变与恶性肿瘤

3.1 IDH突变和急性髓系白血病(AML)

IDH突变在20%的急性髓系白血病(AML)患者中发生，IDH杂合突变包括IDH1 R132H/C、IDH2 R140Q和R172K。IDH1和IDH2突变的发生率相等且相互排斥，即两者很少同时发生[8]，但IDH2 R140Q的发病率高于IDH2 R172K[9]。突变后的IDH1/2基因会增加2-HG的生成，高浓度的2-HG会使细胞分化受阻，进而造成未成熟的造血细胞增多，从而导致白血病的发生。这些突变基因能够在白血病化疗中存留下来，并在疾病缓解期增殖，最终致使髓系恶性肿瘤的复发，由此可见，IDH突变与血液系统肿瘤的发生与复发密不可分[10]。对新诊断为AML患者进行标准化疗期间2-HG水平的前瞻性评估的研究显示，2-HG水平和突变IDH1/2基因的表达均随治疗成功而逐渐降低，也会随着治疗失败而再次升高。但是不同的IDH突变亚型在AML中具有不同的预后价值，目前仍存在争议[11]。

3.2 IDH突变与胶质瘤(GBM)

IDH突变是肿瘤早期发生的现象，是胶质瘤发生的关键驱动因素[12]。2016年世界卫生组织(WHO)对枢神经系统(CNS)肿瘤的分类中，将星型细胞瘤、少突星形细胞瘤和少突胶质细胞瘤分为IDH突变型和IDH野生型两类，依据1p/19q联合缺失、ATRX和TP53突变等基因型特征进一步将IDH突变型分为：①伴有ATRX缺失和TP53突变的胶质瘤类型，弥漫性星形细胞瘤就属于这一类型；②伴有1p/19q联合缺失型，少突胶质细胞瘤属于这一类型。研究表明[13]，在ATRX丢失的背景下，IDH突变通过ATM通路的上调增强对DNA损伤，提示弥漫性星形细胞瘤中ATRX缺乏可能影响DNA修复途径和治疗敏感性。在Ⅱ/Ⅲ级胶质瘤和胶质母细胞瘤中，最常见的IDH突变是IDH1 R132H(占IDH突变的85%～90%)，具有纯合IDH1突变的胶质瘤显示出比杂合突变的胶质瘤的2-HG水平要少得多[14]。此外，突变的IDH诱导产生的2-HG在胶质瘤中会抑制TET家族，进而导致胶质瘤CPG岛甲基化表型(G-CIMP)，这种异常甲基化的形成与IDH突变型胶质瘤的发生密切相关 ，并影响患者的预后[15]。临床研究表明，IDH1突变是胶质瘤独立的、良好的预后标志物，但其仅对Ⅱ级和Ⅲ级胶质瘤预后有显著影响，而对Ⅳ级胶质瘤基本无影响，在胶质瘤发展过程中，80%的低级别胶质瘤和95%复发的继发性胶质瘤中基本都有IDH突变的发生[16]。

3.3 IDH突变和其他肿瘤

除了在胶质瘤和急性髓系白血病中会发生IDH突变外，在肝内胆管癌(ICCA)、软骨肉瘤、前列腺癌等中均有IDH突变的报道。胆管癌中IDH1突变高于IDH2突变(比率10∶1)，以IDH1 R132C为最常见的突变(占IDH突变的50～60%)，在ICCA中经常发现有IDH1/2突变[17]，IDH突变体在肝细胞中的表达增多导致2-HG的过度累积，造成正常肝细胞的异常分化。有研究[18]发现在IDH1/2突变的IHCC患者中2-HG水平与肿瘤负荷直接相关。软骨肉瘤也存在IDH1/2突变，类似于胆管癌的IDH突变[19]。有报道显示[20]，内生软骨瘤和中央型软骨肉瘤的突变率大致相同，不仅在原发性中央软骨肉瘤中有IDH1突变，在局部复发和转移的软骨肉瘤中也发现了相同的突变。

4 IDH突变抑制剂

近年来，人们一直在不断研究针对IDH突变的抑制剂，随着研究的不断深入，几种IDH突变抑制剂已经研发了出来。IDH抑制剂在AML患者中表现出良好的临床反应，Ivosidenib(AG-120)是一种小分子药物，是突变型IDH1的抑制剂，可降低血清总2-HG水平，并诱导突变型IDH1 AML细胞分化，FDA于2018年7月20日批准该药物用于治疗带有IDH1突变的成人R/R AML[21]；Enasidenib(AG-221)是一种IDH2突变抑制剂，但其对IDH2 R172K突变的抑制作用强于IDH1 R140Q突变[22]，FDA已于2017年8月1日批准用于治疗带有IDH2突变的成人R/R AML[23]。BAY1436032是一种IDH1突变蛋白的变构抑制剂，它可以有效降低2-HG水平，抑制白血病干细胞的自我更新和增殖；Chaturvedi等[24]研发的IDH1抑制剂HMS-101可以有效阻止发生IDH1突变的AML患者白血病细胞的集落形成，并且不影响骨髓中正常CD34+细胞的增殖，还能显著降低体外2-HG的水平；Rohle等[25]报道了一种新的IDH突变体合成抑制剂AGI-5198，该抑制剂能阻断2-HG的产生，从而逆转病情的恶化；IDH1R132H抑制剂通过降低2-HG促进组蛋白H3K9me3去甲基化，诱导脑胶质瘤细胞的分化，从而抑制肿瘤的发生。Li等[26]的研究表明，用AGI-5189作用于IDH突变型软骨肉瘤细胞株后，降低了2-HG的生成，抑制了软骨肉瘤细胞株的集落形成及其迁移距离，促进了软骨肉瘤细胞的凋亡。

5 总 结

IDH在机体多种代谢途径发挥着重要作用，而IDH突变与诸多肿瘤的发生发展密切相关。IDH突变后的产物2-HG在肿瘤发生发展中发挥着独特作用，有望成为IDH突变相关肿瘤诊断及预后判断的潜在指标，更可能成为多种肿瘤治疗的新靶点。目前IDH突变抑制剂在急性髓系白血病和胶质瘤治疗上取得了很大的进展，但对其他肿瘤的临床治疗效果如何尚需进一步的研究证实。IDH突变在肿瘤发生发展中确切机制尚不完全清楚，因此，进一步研究IDH突变在与肿瘤发生发展的作用是非常有必要的。随着将来对IDH突变在相关肿瘤发生作用机理逐步探索，相信未来会研发出更多针对不同肿瘤IDH突变的靶向药物。