IDH1基因突變在膠質(zhì)瘤中的作用機制及其靶向治療研究

彭海芹，付 軍，李戰(zhàn)戰(zhàn)，李 娜，張 琨 （中南大學(xué)湘雅醫(yī)院腫瘤科，湖南長沙410000）

0 引言

膠質(zhì)瘤是最常見的原發(fā)性腦部腫瘤之一，其侵犯正常腦組織，多數(shù)呈浸潤性生長，惡性程度高［1］。目前臨床上主要的治療方法是手術(shù)切除聯(lián)合放射及化學(xué)藥物治療，但治療效果并不十分理想，復(fù)發(fā)率較高，嚴(yán)重威脅著人類健康。

2007年第4版世界衛(wèi)生組織（WHO）中樞神經(jīng)系統(tǒng)（central nervous system，CNS）腫瘤分類按組織學(xué)形態(tài)將膠質(zhì)瘤分為Ⅰ～Ⅳ級，并認(rèn)為Ⅰ級為良性、Ⅱ級為交界性、Ⅲ級為惡性、Ⅳ級為高度惡性［2］。Ⅳ級膠質(zhì)瘤即膠質(zhì)母細(xì)胞瘤（glioblastoma multiforme，GBM），惡性程度最高，預(yù)后極差［3］。 2008 年，Parsons等［4］在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的研究中首次發(fā)現(xiàn)異檸檬酸脫氫酶-1（isocitrate dehydrogenases-1， IDH1）突變。IDH1基因突變在低級別的膠質(zhì)瘤和繼發(fā)性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中普遍存在。2016年，WHO CNS腫瘤新分類在組織學(xué)的基礎(chǔ)上增加了分子學(xué)特征，并使用組織學(xué)和分子學(xué)特征進行重命名，如基于IDH基因突變將膠質(zhì)瘤分為IDH突變型和IDH野生型。IDH1野生型的Ⅱ級／Ⅲ級膠質(zhì)瘤比同級的IDH1突變型膠質(zhì)瘤的預(yù)后差［5］。這些均意味著，IDH突變成為了靶向治療的標(biāo)志性基因，將指導(dǎo)具有相似生物學(xué)和基因?qū)W特征的腫瘤治療方案的選擇。

1 IDH基因及其蛋白結(jié)構(gòu)和功能

IDH是三羧酸循環(huán)中的關(guān)鍵限速酶，催化異檸檬酸氧化脫羧生成α-酮戊二酸（α-KG）及二氧化碳，可為細(xì)胞新陳代謝提供能量和生物合成前體物質(zhì)，在生命活動中發(fā)揮重要作用［6］。人類IDH共有3種類型：IDH1、IDH2、IDH3。 其中，IDH1 和 IDH2 主要以同源二聚體的形式存在，都是煙酰胺腺嘌呤雙核苷酸磷酸（beta-nicotinamide adenine dinucleotide phosphoric acid，NADP+）依賴性IDH，所催化的反應(yīng)具有可逆性。而IDH3為煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamideadenine dinucleotide， NAD+）依賴性 IDH，以四聚體的形式存在，所催化的反應(yīng)是不可逆的。IDH1基因位于染色體2q33.3，編碼蛋白定位于胞質(zhì)和過氧化物酶體，在糖和脂質(zhì)代謝、抗活性氧損傷、放射性損傷和在低氧條件下調(diào)節(jié)脂肪合成等方面發(fā)揮重要作用［7］。IDH2蛋白主要存在于線粒體，通過生成NADPH維持氧化還原平衡，當(dāng)?shù)脱鯐r在維持細(xì)胞內(nèi)檸檬酸水平和抗活性氧損傷方面也起重要作用［8］。IDH3則作為三羧酸循環(huán)的關(guān)鍵酶參與線粒體能量代謝。

2 IDH1突變介導(dǎo)腫瘤形成機制

目前主流的觀點認(rèn)為IDH1是一種癌基因，其主要致癌機制為IDH1突變產(chǎn)物D-2HG抑制α-KG依賴的雙加氧酶活性，但尚存爭議。IDH1催化異檸檬酸氧化脫羧生成α-KG和NADPH。α-KG涉及多種細(xì)胞過程，如缺氧、血管生成、細(xì)胞外基質(zhì)膠原的形成以及表觀遺傳的調(diào)控，NADPH為細(xì)胞代謝和生命活動提供能量［6］。IDH1基因突變后，酶活性發(fā)生改變，催化 NADPH 和 α-KG 生 成 NADP+ 和 D-2HG［9］。D-2HG與 α-KG分子結(jié)構(gòu)高度相似，唯一不同是D-2HG中存在一個C2羥基，而α-KG中為C2羰基。D-2HG是α-KG的一種弱競爭性抑制劑，大量異常水平的D-2HG競爭性抑制多種α-KG依賴性雙加氧酶活性［10］。人體內(nèi)有80多種α-KG依賴性雙加氧酶，這些酶包括組蛋白去甲基化酶JMJD2和JHDM1，DNA去甲基化酶TET2蛋白家族，調(diào)節(jié)HIF的PHD、ALKBH4等，分別涉及組蛋白修飾、異常DNA甲基化、刺激血管生成、異常膠原的成熟和氧化DNA損傷修復(fù)［11-12］。因此，大量異常水平的D-2HG積累影響細(xì)胞增殖分化的多條信號通路，導(dǎo)致腫瘤發(fā)生。

然而，2009年，Zhao等［13］發(fā)表了一篇關(guān)于 IDH1基因突變功能的研究，發(fā)現(xiàn)IDH1突變型膠質(zhì)瘤中α-KG的水平下降而低氧誘導(dǎo)因子1α（hypoxia-inducible factor 1α， HIF-1α）積聚，從而激活 HIF-1ɑ下游的靶基因轉(zhuǎn)錄，導(dǎo)致 VEGF、GluT1、PGK1等增多，由此提出IDH1是腫瘤抑制基因。

3 IDH1在膠質(zhì)瘤中的突變類型及分布

神經(jīng)膠質(zhì)瘤和IDH突變之間的聯(lián)系最初是在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的外顯子組測序研究的背景下發(fā)現(xiàn)的，在該研究中，在超過20%的腫瘤中發(fā)現(xiàn)了IDH1基因的突變［4］。 2009 年，有研究［14-15］對大范圍腦瘤的分析發(fā)現(xiàn)，IDH突變存在80%～90%的Ⅱ級和Ⅲ級膠質(zhì)瘤和大約80%的繼發(fā)性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中，原發(fā)性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤少見。膠質(zhì)瘤IDH1基因突變?yōu)閱蝹€氨基酸的錯義突變，常見的突變位點是第132位氨基酸殘基，最常見的突變類型是IDH1 R132H，占全部IDH1基因突變的 90%，其余突變類型（R132C、R132S、R132G 和 R132L）較為少見［16］。

4 IDH1突變型膠質(zhì)瘤的靶向治療前景

隨著腫瘤測序技術(shù)的發(fā)展，Johnson等［17］發(fā)現(xiàn)，IDH1突變不僅是膠質(zhì)瘤發(fā)生過程中的早期事件，在膠質(zhì)瘤的進一步惡化以及復(fù)發(fā)過程中也起到了重要作用。

Turcan 等［18］對去甲基化試劑（HAMs）地西他濱（decitabine）的臨床前期研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用HAMs治療IDH1突變型膠質(zhì)瘤可以降低膠質(zhì)分化的相關(guān)基因啟動子位點的DNA甲基化，從而抑制腫瘤細(xì)胞生長，促進正常細(xì)胞的增殖。Borodovsky等［19］證明長期服用低劑量的HAMs阿扎替?。╝zacytidine）會降低啟動子位點的DNA甲基化，并減少一種非再生星形細(xì)胞瘤模型的細(xì)胞增殖。因此，以IDH1突變型細(xì)胞中DNA異常甲基化為靶點進行DNA去甲基化處理可能是一種潛在的靶向治療策略，但還需在IDH1突變型膠質(zhì)瘤患者中進行深入的臨床研究。

Rohle等［20］在 IDH1突變的小鼠異種移植模型和體外模型中觀察到IDH1抑制劑AGI-5198能夠抑制IDH1突變型腫瘤細(xì)胞的生長，但并沒有改變膠質(zhì)瘤細(xì)胞DNA高甲基化狀態(tài)。Wang等［21］發(fā)現(xiàn)AGI-5198能夠降低D-2HG的量并逆轉(zhuǎn)組蛋白和DNA高甲基化。這些研究均表明，誘導(dǎo)分化療法治療IDH1突變型腫瘤是有積極意義的。Schumacher等［22］臨床前研究表明，使用IDH1 R132H特異性肽的疫苗可引起MHC類特異性的抗腫瘤反應(yīng)，對抗IDH1 R132H表達的腫瘤細(xì)胞，減少顱內(nèi)腫瘤的生長［23］。這也意味著抗IDH1 R132H疫苗是針對IDH1 R132H-突變型膠質(zhì)瘤的一種可行治療策略。隨后一系列的IDH1靶向藥物的臨床試驗陸續(xù)開展，包括 AG 120（NCT02073994）、IDH305（NCT02381886）以及 IDH1肽疫苗（NCT02454634、NCT02193347）等。

然而，Tateishi等［23］研究結(jié)果表明消耗體內(nèi)異常的D-2HG不能抑制IDH1突變型實體瘤的生長。Ma等［24］使用 IDH1和 IDH2突變癌細(xì)胞系研究了D-2-HG在腫瘤發(fā)生中的作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)D-2HG的消融對細(xì)胞的增殖和遷移沒有明顯的影響，但在異種移植小鼠模型中能夠明顯抑制腫瘤生長。這些研究結(jié)果表明在患者源性的IDH1突變的腫瘤細(xì)胞系中，IDH1抑制劑對細(xì)胞的增殖和分化的效果是不確定的，說明D-2HG的代謝水平與腫瘤生長能力可能并沒有明顯的關(guān)系，限制突變酶的活性可能無法消除基因組中已經(jīng)存在的慢性損傷和表觀遺傳改變。

Sasaki等［25］發(fā)現(xiàn)，大量異常的 D-2HG 不利于DNA修復(fù)的同源重組，并使IDH1突變型腫瘤和細(xì)胞系對PARP抑制劑更敏感。PARP抑制劑已經(jīng)被批準(zhǔn)用于其他癌癥類型，目前針對IDH1突變型膠質(zhì)瘤的這類藥物的臨床試驗正在進行［26］。

此外，IDH1突變腫瘤的其它特征也可能是潛在的靶向治療靶點。Tateishi等［23］發(fā)現(xiàn)使用NAMPT抑制劑能夠誘導(dǎo)AMPK激活，在IDH1突變型膠質(zhì)瘤細(xì)胞中和小鼠體內(nèi)發(fā)生自噬，介導(dǎo)腫瘤的細(xì)胞死亡。Chesnelong等［27］證明乳酸脫氫酶 A （LDHA）的失活可以使IDH突變型膠質(zhì)瘤細(xì)胞的糖酵解能力受損，導(dǎo)致腫瘤生長緩慢而且預(yù)后更好。Chan等［28］證明，IDH1／2突變體細(xì)胞對ABT-199（一種特定的BCl2抑制劑）的敏感性高于IDH1／2野生型。最近，有報道稱，存在IDH1突變的間變型星形細(xì)胞瘤的標(biāo)本中，有較低水平的Mcl-1基因突變。Karpel-Massler等［29］發(fā)現(xiàn)添加D-2HG到GBM細(xì)胞培養(yǎng)，降低了Mcl-1的表達，使膠質(zhì)母細(xì)胞瘤在體外和顱內(nèi)異種移植中都受到Bcl-XL的抑制。

綜上所述，隨著分子生物學(xué)的進展，對腦膠質(zhì)瘤的靶向治療的研究越來越深入并取得了一定成績，但是也存在一部分的研究結(jié)果表明IDH突變能夠抑制腫瘤生長，這可能與不同類型腫瘤細(xì)胞的遺傳背景以及多種信號通路的復(fù)雜性有關(guān)，亦或是IDH1突變引起其他的未知改變導(dǎo)致的。因此，針對IDH1突變型膠質(zhì)瘤的靶向治療還需要深入探究，目前已有大量的相關(guān)實驗正在進行中，我們相信在不久的將來，靶向治療將為膠質(zhì)瘤患者帶來更多的益處。