軟骨腫瘤異檸檬酸脫氫酶基因突變的研究進(jìn)展

王睿峰 郭衛(wèi)

（北京大學(xué)人民醫(yī)院骨腫瘤科，北京 100044）

細(xì)胞的惡性轉(zhuǎn)化是基因突變、表觀遺傳學(xué)改變、轉(zhuǎn)錄后異常等一系列事件所引起的復(fù)雜而多層次的過程。測(cè)序技術(shù)的飛速發(fā)展使腫瘤的遺傳概貌得到更全面、更深刻的展現(xiàn)。原發(fā)性骨腫瘤大多存在驅(qū)動(dòng)基因變異，根據(jù)高度頻發(fā)或較為特異的驅(qū)動(dòng)基因變異可以對(duì)其進(jìn)行分子分型，從而更精準(zhǔn)地指導(dǎo)臨床診療。

腫瘤細(xì)胞在有氧條件下優(yōu)先采用無氧糖酵解方式獲取能量，這種反常的能量代謝方式被稱為Warburg 效應(yīng)。后續(xù)研究結(jié)果顯示，在惡性轉(zhuǎn)化過程中，代謝適應(yīng)力改變是腫瘤細(xì)胞存活并迅速生長(zhǎng)的重要條件之一。腫瘤細(xì)胞中延胡索酸水化酶（fumarate hydratase,FH）、琥珀酸脫氫酶（succinate dehydrogenase,SDHD）等代謝酶基因突變的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步提示代謝改變可能在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中起重要作用[1]。Sj?blom等[2]對(duì)結(jié)直腸腫瘤細(xì)胞進(jìn)行體細(xì)胞測(cè)序時(shí)，第一次發(fā)現(xiàn)異檸檬酸脫氫酶-1（isocitrate dehydrogenase 1,IDH1）基因存在突變。此后，研究者陸續(xù)發(fā)現(xiàn)IDH基因在膠質(zhì)瘤[3]、急性髓細(xì)胞白血病[4]中存在較高頻率的突變。Amary等[5]首次報(bào)道56%的中心型和骨膜型軟骨腫瘤中存在IDH1/IDH2變異，此后國(guó)內(nèi)外對(duì)IDH突變與軟骨腫瘤的發(fā)生、預(yù)后及治療之間關(guān)系的研究逐漸增多。本文系統(tǒng)回顧軟骨腫瘤IDH 基因突變的研究進(jìn)展并進(jìn)行綜述。

1 IDH的結(jié)構(gòu)與功能

IDH 是一類在三羧酸循環(huán)中具有重要作用的代謝酶家族，廣泛參與糖代謝、氨基酸代謝和脂類代謝過程[6]。IDH 的主要作用是催化異檸檬酸氧化脫羧生成α-酮戊二酸鹽（α-ketoglutarate,α-KG），同時(shí)將煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide,NAD+）、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（beta-nicotinamide adenine dinucleotide phosphoric acid,NADP+）還原為還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（reduced form of nicotinamide adenine dinucleotide,NADH）和還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（reduced form of nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADPH）。

IDH 家族中有IDH1、IDH2、IDH3 三種同工酶，IDH1 和IDH2 為NADP+依賴酶，兩者蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)幾乎一致，都以同源二聚體形式存在[7]。IDH1編碼基因位于染色體2q33.3上，包括12個(gè)外顯子，編碼蛋白質(zhì)包含414 個(gè)氨基酸殘基；IDH2 編碼基因位于染色體15q26.1上，包括12個(gè)外顯子，編碼蛋白質(zhì)包含452個(gè)氨基酸殘基。IDH1 與IDH2 最主要的區(qū)別在于兩者的亞細(xì)胞定位，IDH1 蛋白質(zhì)存在于細(xì)胞質(zhì)和過氧化物酶體中，而IDH2蛋白質(zhì)存在于線粒體中。IDH3為NAD+依賴酶，由核基因IDH3A、IDH3B 和IDH3G 編碼。IDH3 以異四聚體形式存在，結(jié)構(gòu)中包含2 個(gè)具有活性位點(diǎn)的α 亞基，以及β 和γ 兩個(gè)調(diào)節(jié)亞基。α、β 和γ 亞基分別包含366、385 和393 個(gè)氨基酸殘基[8]。IDH3蛋白質(zhì)存在于線粒體中[9]。IDH1與NADP+、異檸檬酸結(jié)合后從開放構(gòu)型變?yōu)橛写呋钚缘拈]合構(gòu)型，將異檸檬酸氧化為草酰琥珀酸鹽，并同時(shí)將NADP+還原為NADPH。IDH1進(jìn)一步對(duì)結(jié)合的草酰琥珀酸鹽進(jìn)行脫羧，形成α-KG和CO2。此時(shí)IDH1與α-KG分離，恢復(fù)成開放構(gòu)型等待進(jìn)行下一次催化。第132 位（R132）、第100位（R100）和第109位（R109）精氨酸殘基是IDH1的催化三聯(lián)體，處于活性位點(diǎn)中心[7]。

2 IDH突變導(dǎo)致腫瘤形成的作用機(jī)理

IDH代謝酶家族目前在腫瘤細(xì)胞中僅發(fā)現(xiàn)IDH1/IDH2 基因突變，尚未發(fā)現(xiàn)IDH3 基因存在突變，說明IDH 突變導(dǎo)致腫瘤形成的主要原因可能是突變引起細(xì)胞內(nèi)NADPH 總量改變，從而導(dǎo)致細(xì)胞氧化還原能力的改變[10]。IDH1/IDH2 突變通常出現(xiàn)于細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化的早期階段，說明此突變具有促進(jìn)腫瘤生長(zhǎng)的作用[11]。

IDH1/IDH2 體細(xì)胞突變存在于浸潤(rùn)性神經(jīng)膠質(zhì)瘤[12]和急性髓細(xì)胞白血病[13]中，腫瘤細(xì)胞中的IDH 突變?yōu)轶w細(xì)胞單等位基因突變。IDH1/IDH2 突變極少同時(shí)出現(xiàn)在腫瘤細(xì)胞中，提示每個(gè)基因的突變都能夠獨(dú)立滿足腫瘤發(fā)生與發(fā)展的需求。IDH1上絕大部分的突變發(fā)生于第132位的精氨酸活性位點(diǎn)（R132），其中以精氨酸突變?yōu)榻M氨酸（R132H）最為常見。由于R132處于IDH1活性位點(diǎn)中心，這個(gè)位置的突變能夠改變IDH1 酶的活性。IDH2 上第172 位精氨酸殘基（R172）與IDH1第132精氨酸殘基同功，是IDH2上主要的突變發(fā)生部位，常見突變包括精氨酸突變?yōu)樯彼幔≧172W）、甘氨酸（R172G）、絲氨酸（R172S）等；IDH2 第140 位精氨酸殘基（R140）也能夠發(fā)生突變，包括精氨酸突變?yōu)樯彼幔≧140W）、亮氨酸（R140L）和谷氨酰胺（R140Q）等[14]。

部分突變使IDH1/IDH2 與底物形成無催化活性的異二聚體，從而無法正常催化異檸檬酸進(jìn)行脫羧[15]。而另一部分突變能夠賦予IDH1/IDH2 新的催化活性，使其能夠在NADPH 氧化為NADP+的過程中利用α-KG 產(chǎn)生2-羥基戊二酸（2-hydroxyglutaric acid,2-HG）[16]。與正常細(xì)胞相比，具有IDH1/IDH2突變的神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞或急性髓細(xì)胞白血病細(xì)胞中2-HG 的水平可增高100 倍[16,17]。2-HG 能夠抑制包括Ten-eleven 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（ten eleven translocation,TET）在內(nèi)的多個(gè)雙加氧酶和組蛋白去甲基化酶的活性，導(dǎo)致基因CpG 島過甲基化和組蛋白修飾改變，進(jìn)而誘發(fā)腫瘤[18]。

IDH2 R172、R140 突變產(chǎn)生2-HG 的能力與突變位點(diǎn)是否存在野生型等位基因無關(guān)，IDH2 R172突變產(chǎn)生2-HG 水平高于IDH2 R140 突變。IDH1 突變產(chǎn)生2-HG的能力依賴于野生型IDH1等位基因的存在，雜合型IDH1 R132 突變細(xì)胞產(chǎn)生2-HG 的水平較高，與IDH2 R172突變產(chǎn)生2-HG的水平相似。神經(jīng)膠質(zhì)瘤、急性髓細(xì)胞白血病等腫瘤中IDH2 R172突變率高于IDH2 R140，可能與產(chǎn)生2-HG的能力不同有關(guān)[19]。

3 軟骨腫瘤中IDH的突變頻率

軟骨良性腫瘤和軟骨惡性腫瘤中均存在一定比例的IDH 突變。Amary 等[5]對(duì)145 份軟骨腫瘤樣本進(jìn)行DNA 測(cè)序，其中81 份（56%）存在IDH1/IDH2 突變，而在同一患者的其他非腫瘤組織中未發(fā)現(xiàn)IDH1/IDH2 突變。按部位分類，中央型（54.7%）和骨膜型（75.0%）軟骨腫瘤均存在突變；按腫瘤性質(zhì)分類，低級(jí)別軟骨腫瘤（內(nèi)生性軟骨瘤/Ⅰ級(jí)軟骨肉瘤）（53.7%）和高級(jí)別軟骨腫瘤（Ⅱ、Ⅲ級(jí)軟骨肉瘤及去分化軟骨肉瘤）（58.7%）中均存在IDH1/IDH2 突變；按發(fā)生部位分類，發(fā)生于手部、足部管狀骨的軟骨腫瘤突變率最高（89.7%）。而在同時(shí)檢測(cè)的骨肉瘤、脊索瘤、間葉源性軟組織腫瘤等樣本中均未檢測(cè)到IDH1/IDH2突變。

Ollier 病和Maffucci 綜合征是以多發(fā)性內(nèi)生軟骨瘤為特征的罕見非遺傳性疾病，其病變樣本也普遍存在IDH1/IDH2 突變。Amary 等[20]對(duì)40 例Ollier 病或Maffucci 綜合征患者的樣本進(jìn)行檢測(cè)，其中37 例（92.5%）存在IDH1/IDH2 突變。Pansuriya 等[21]共采集43 例Ollier 病和13 例Maffucci 綜合征腫瘤樣本，以及其他172例孤立性軟骨腫瘤樣本進(jìn)行基因檢測(cè)，研究發(fā)現(xiàn)81%的Ollier 病患者、77%的Maffucci 綜合征患者以及29%的孤立性軟骨腫瘤樣本中存在IDH1/IDH2突變。Ollier病和Maffucci綜合征患者的體細(xì)胞突變成典型的馬賽克樣[21]。

軟骨肉瘤是常見原發(fā)惡性骨腫瘤。Arai 等[22]采集13例顱內(nèi)軟骨肉瘤樣本，其中6例存在IDH1/IDH2突變；同時(shí)檢測(cè)的10 例顱內(nèi)脊索瘤樣本中均未檢測(cè)到IDH1/IDH2突變。Meijer等[23]對(duì)幾種罕見的軟骨肉瘤亞型進(jìn)行基因檢測(cè)，6 例去分化軟骨肉瘤樣本中3例存在IDH1/IDH2突變。間葉性軟骨肉瘤、透明細(xì)胞軟骨肉瘤中均不存在IDH1/IDH2 突變。在去分化軟骨肉瘤中，IDH 突變同時(shí)存在于良性軟骨腫瘤部分和高級(jí)別非軟骨肉瘤部分，而高級(jí)別非軟骨肉瘤部分還具有腫瘤蛋白p53（tumor protein p53,TP53）突變等其他突變，說明兩部分腫瘤起源于同樣的前驅(qū)細(xì)胞，而后分化為不同類型。

此后，多項(xiàng)研究顯示近50%的軟骨肉瘤中存在IDH1/IDH2 突變[24-28]。對(duì)既往研究結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，51.4%的軟骨腫瘤中存在IDH1/IDH2 突變，其中最常見的突變類型是IDH1 R132C，其他常見突變包括IDH1 R132G、IDH1 R132H、IDH2 R172G 等。而膠質(zhì)瘤中70%以上為IDH1 R132H 突變，急性髓細(xì)胞白血病中最常見的突變點(diǎn)為IDH2 R140[29,30]。上述研究證實(shí)，IDH 突變與軟骨肉瘤的發(fā)生之間存在關(guān)聯(lián)性。由于骨肉瘤中從未發(fā)現(xiàn)IDH1/IDH2 突變，因此考慮IDH 能夠作為辨別診斷成軟骨型骨肉瘤、骨未分化多形性肉瘤和高級(jí)別軟骨肉瘤、去分化軟骨肉瘤的生物標(biāo)志物[31]（表1）。

4 IDH突變?cè)谲浌悄[瘤發(fā)生中的作用機(jī)理

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)顯示，IDH1 R132 基因替換小鼠出現(xiàn)四肢2-HG 水平較高、脛骨軟骨礦化程度減低、內(nèi)生性軟骨瘤樣損害等改變[32]。分子學(xué)研究顯示，IDH1/IDH2 突變能夠?qū)е录?xì)胞內(nèi)2-HG 水平明顯升高[28,33]，從而導(dǎo)致組蛋白修飾改變和基因甲基化水平升高[21]，進(jìn)而調(diào)節(jié)基因表達(dá)。其中DNA 甲基化差異較顯著的基因?yàn)檫h(yuǎn)端缺失同源盒5（distal-less homeobox 5,DLX 5）基因，其表達(dá)水平在突變樣本中略有降低[21]。DLX5 是軟骨內(nèi)骨化過程中軟骨細(xì)胞成熟的正向調(diào)節(jié)因子，能夠促進(jìn)未成熟的增生軟骨細(xì)胞向肥大軟骨細(xì)胞轉(zhuǎn)變[34,35]，同時(shí)能夠誘導(dǎo)runt 相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2（runt-related transcription factor 2,Runx2）、成骨細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄因子（osterix,OSX）的表達(dá)，從而促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化[36,37]。DLX5 基因在IDH1/IDH2 突變組織中表達(dá)降低可能是導(dǎo)致腫瘤發(fā)生的分子機(jī)制之一。

間充質(zhì)干細(xì)胞中IDH1/IDH2 突變能夠調(diào)節(jié)SRY盒轉(zhuǎn)錄因子9（SRY-box transcription factor 9,SOX9）、Ⅱ型膠原蛋白α1 鏈（collagen type Ⅱalpha 1 chain,COL2A1）基因表達(dá)，這在促進(jìn)成軟骨分化的同時(shí)破壞軟骨基質(zhì)形成。同時(shí)，IDH1 R132C 突變能夠抑制肝腎骨堿性磷酸酶（alkaline phosphatase,liver/bone/kidney,ALPL）基因表達(dá)，從而抑制成骨分化[38,39]。然而，軟骨肉瘤細(xì)胞中的IDH1/IDH2 突變與H3K4、H3K9、H3K27 組蛋白修飾及DNA 甲基化水平間不存在顯著關(guān)聯(lián)性[40]。上述研究提示，IDH 突變可能是良性內(nèi)生軟骨瘤形成早期的重要致病因素，而不是腫瘤細(xì)胞惡變、增殖和擴(kuò)散的必要因素。

5 IDH1/IDH2突變與腫瘤預(yù)后

神經(jīng)膠質(zhì)瘤和膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者中具有IDH1/IDH2突變個(gè)體的預(yù)后較好[43,44]，而目前IDH1/IDH2突變與軟骨腫瘤預(yù)后的關(guān)系尚不明確。多項(xiàng)研究顯示IDH1/IDH2 突變與軟骨腫瘤患者預(yù)后之間不存在顯著關(guān)聯(lián)性[19,21,28]，具有不同IDH1/IDH2 突變類型（R132C、R132H、R132G、R132I、R132S、R172S）的軟骨腫瘤患者的疾病特異生存率和無轉(zhuǎn)移生存率也不存在顯著性差異[40]。

不同亞型的軟骨肉瘤的預(yù)后差異顯著[45]。多項(xiàng)研究提示，IDH 突變可能與軟骨肉瘤預(yù)后有關(guān)。Lugowska等[26]對(duì)80例軟骨肉瘤樣本進(jìn)行測(cè)序，發(fā)現(xiàn)存在IDH1/IDH2 突變的27 例患者的5 年生存率顯著低于無突變患者（64%vs.93%,P＜0.001），其中具有IDH1突變患者的5 年生存率最低。IDH1/IDH2 突變?cè)诓±眍愋洼^差、年齡較高的個(gè)體中較為頻發(fā)，可能是IDH1/IDH2 突變患者5 年生存率較低的主要原因。Zhu 等[41]的研究顯示，IDH 突變與患者總體生存率間不存在顯著的關(guān)聯(lián)性，但具有IDH突變的高級(jí)別軟骨肉瘤患者的無復(fù)發(fā)生存率和無轉(zhuǎn)移生存率高于不具有突變的高級(jí)別軟骨肉瘤患者。Nicolle 等[46]認(rèn)為IDH 突變、14q32 區(qū)域基因表達(dá)缺失和有絲分裂能力提高這三個(gè)因素的共同出現(xiàn)能夠提示軟骨肉瘤的預(yù)后較差。

表1 既往報(bào)道中不同病理類型的軟骨腫瘤的IDH1/2突變數(shù)及突變類型

6 IDH1/IDH2突變與軟骨腫瘤靶向治療

軟骨肉瘤組織血供較少，對(duì)化療和放療不敏感，目前手術(shù)切除可取得較好的治療效果。然而，經(jīng)典型軟骨肉瘤的術(shù)后復(fù)發(fā)率和轉(zhuǎn)移率仍然較高，復(fù)發(fā)或轉(zhuǎn)移病例的治療方法有限，患者預(yù)后較差[47]，去分化軟骨肉瘤這類惡性程度較高的亞型的預(yù)后相對(duì)更差，中位生存時(shí)間約11 個(gè)月[48]。臨床上需要探索更有效的治療方法，以提高軟骨肉瘤患者的預(yù)后。

軟骨肉瘤中IDH 突變率較高，使IDH 突變靶向治療成為可能，而目前對(duì)IDH 突變靶向治療的效果尚存爭(zhēng)論。AGI-5198 是IDH1 突變特異性抑制劑，Suijker 等[33]認(rèn)為AGI-5198 能夠降低具有IDH1 突變的軟骨肉瘤細(xì)胞中2-HG 的水平，但無法影響腫瘤發(fā)生。Li 等[49]的研究顯示AGI-5198 能夠降低突變軟骨肉瘤細(xì)胞中2-HG 的水平，同時(shí)也能夠抑制腫瘤細(xì)胞的增殖和轉(zhuǎn)移，并誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。Nakagawa等[47]研究發(fā)現(xiàn)，新型IDH1抑制劑DS-1001b能夠降低突變細(xì)胞的2-HG 水平，同時(shí)能夠?qū)M蛋白3 第9 位賴氨酸三甲基化（Histone H3 lysine 9 trimethylation,H3K9me3）進(jìn)行去甲基反應(yīng)，從而上調(diào)SOX9、細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶抑制因子1C（cyclin-dependent kinase inhibitor 1C,CDKN1C）等基因的水平，進(jìn)而抑制軟骨肉瘤細(xì)胞的增殖。目前，IDH2 突變抑制劑AG-221（NCT02273739）正在進(jìn)行Ⅰ/Ⅱ期臨床試驗(yàn)，IDH突變抑 制 劑 AG-881（NCT02481154）和 AG-120（NCT02073994）也正在進(jìn)行Ⅰ期臨床試驗(yàn)[50]。