梁瑞華，任 平，陳紅霞

(湖北科技學(xué)院藥學(xué)院，湖北 咸寧 437100)

異檸檬酸脫氫酶(isocitrate dehydrogenase，IDH)是生物體內(nèi)重要的代謝酶，可催化異檸檬酸轉(zhuǎn)化為α-酮戊二酸(α-KG)與CO2，參與葡萄糖氧酵解、線粒體脂質(zhì)合成、谷氨酰胺代謝及氧化還原調(diào)節(jié)等過程。IDH在人類中以IDH1、IDH2、IDH3 3種異構(gòu)體形式存在，并在許多惡性腫瘤中存在著突變。突變的IDH具備了新的酶活性，從而導(dǎo)致α-KG向2-羥戊二酸(2-HG)的轉(zhuǎn)化，2-HG生成增多會造成細(xì)胞表觀遺傳的改變，導(dǎo)致DNA的異常高甲基化，抑制組蛋白脫甲基，使正常細(xì)胞的分化受到抑制，從而促進(jìn)腫瘤的發(fā)生。本文將就IDH結(jié)構(gòu)及其生物學(xué)效應(yīng)和IDH突變在腫瘤發(fā)生中的作用及IDH突變抑制劑的研究現(xiàn)狀等方面進(jìn)行綜述。

1 IDH異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)與功能

1.1 IDH異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)

IDH包括IDH1、IDH2和IDH3三種亞型，按照不同的亞型可以分為單體、同源二聚體及多聚體。IDH1以同源二聚體形式存在，每個同源二聚體由兩個IDH1單體結(jié)合形成，每個IDH1單體有一個clasp結(jié)構(gòu)域、兩個大結(jié)構(gòu)域和兩個小結(jié)構(gòu)域，大小結(jié)構(gòu)域通過β-折疊連接在一起[1]，在大小結(jié)構(gòu)域的側(cè)面連接裂隙中，深的裂隙含有煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP)和異檸檬酸-金屬離子結(jié)合位點(diǎn)，淺的裂隙參與IDH構(gòu)象的變化；IDH2和IDH1是結(jié)構(gòu)高度相似的同工異構(gòu)酶；IDH3是異源四聚體，包含有2個α亞基、1個β亞基、1個γ亞基[2]。

1.2 IDH的功能

IDH1和IDH2以煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADP)為輔助因子催化異檸檬酸氧化脫羧生成α-酮戊二酸(α-KG)和CO2；IDH3以NAD為輔助因子參與細(xì)胞能量代謝。IDH1存在于胞質(zhì)和過氧化物酶體中，其基因位定于染色體2q33.3，編碼包含414個氨基酸殘基的蛋白。人體中的IDH1具有參與谷氨酰胺代謝、磷脂代謝、脂肪合成、維持細(xì)胞體內(nèi)氧化還原穩(wěn)態(tài)等作用；IDH2存在于線粒體中。其基因定位于染色體15q26.1，編碼包含452個氨基酸殘基的蛋白；IDH3存在于線粒體中。然而目前，編碼人類IDH3基因的定位及結(jié)構(gòu)序列尚不清楚，但可以確定的是IDH2與IDH3都在三羧酸循環(huán)中參與細(xì)胞的能量代謝[3]。

2 IDH突變及其作用

IDH1和IDH2突變與腫瘤的發(fā)生發(fā)展有密切關(guān)系，IDH1突變多見于實(shí)體腫瘤，IDH2突變常見于血液系統(tǒng)腫瘤，但I(xiàn)DH3突變并不常見。IDH1/2突變通常是單個氨基酸的雜合錯義突變，這種突變使得IDH1/2酶活性位點(diǎn)的某個氨基酸被別的氨基酸所取代，其中精氨酸殘基(R132)(Arg132)的單個密碼子突變最常發(fā)生在IDH1[4]，而IDH2基因變最常發(fā)生于編碼其酶活性位點(diǎn)的第140和172位精氨酸殘基(R140和R172)密碼子。IDH1/2突變后轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N新型酶，這種新型酶會以α-KG為底物生成新的代謝產(chǎn)物2-羥基戊二酸(2-HG)。2HG與α-KG的結(jié)構(gòu)具有相似性，能競爭性抑制依賴α-KG的雙加氧酶系(TET家族、JmjC組蛋白脫甲基酶和脯氨酰羥化酶等)，從而導(dǎo)致機(jī)體內(nèi)一系列問題的出現(xiàn)，如TET蛋白被抑制后可導(dǎo)致5-甲基胞嘧啶羥基化受阻從而引起DNA甲基化；JmjC組蛋白脫甲基酶被抑制后會引起H3K9和H3K27甲基化增多，從而對體內(nèi)細(xì)胞的分化起到阻礙作用；而脯氨酰羥化酶被抑制則會干擾缺氧誘導(dǎo)因子1α(HIF-1α)的穩(wěn)定性，增加HIF-1α基因的表達(dá)，這些因素均被認(rèn)為有助于腫瘤的發(fā)生。此外，有研究指出2-HG對線粒體電子傳輸鏈中的細(xì)胞色素C氧化酶(COX)的抑制可激活促凋亡的 BAX和BAK，干擾腫瘤細(xì)胞中谷氨酰胺的正常代謝[5-6]。另外，2-HG可通過影響NAPD/NAPDH平衡增加活性氧，從而導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)氧化還原平衡受到破壞，促進(jìn)腫瘤的發(fā)生[7]。

3 IDH突變與惡性腫瘤

3.1 IDH突變和急性髓系白血病(AML)

IDH突變在20%的急性髓系白血病(AML)患者中發(fā)生，IDH雜合突變包括IDH1 R132H/C、IDH2 R140Q和R172K。IDH1和IDH2突變的發(fā)生率相等且相互排斥，即兩者很少同時發(fā)生[8]，但I(xiàn)DH2 R140Q的發(fā)病率高于IDH2 R172K[9]。突變后的IDH1/2基因會增加2-HG的生成，高濃度的2-HG會使細(xì)胞分化受阻，進(jìn)而造成未成熟的造血細(xì)胞增多，從而導(dǎo)致白血病的發(fā)生。這些突變基因能夠在白血病化療中存留下來，并在疾病緩解期增殖，最終致使髓系惡性腫瘤的復(fù)發(fā)，由此可見，IDH突變與血液系統(tǒng)腫瘤的發(fā)生與復(fù)發(fā)密不可分[10]。對新診斷為AML患者進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化療期間2-HG水平的前瞻性評估的研究顯示，2-HG水平和突變IDH1/2基因的表達(dá)均隨治療成功而逐漸降低，也會隨著治療失敗而再次升高。但是不同的IDH突變亞型在AML中具有不同的預(yù)后價值，目前仍存在爭議[11]。

3.2 IDH突變與膠質(zhì)瘤(GBM)

IDH突變是腫瘤早期發(fā)生的現(xiàn)象，是膠質(zhì)瘤發(fā)生的關(guān)鍵驅(qū)動因素[12]。2016年世界衛(wèi)生組織(WHO)對樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)腫瘤的分類中，將星型細(xì)胞瘤、少突星形細(xì)胞瘤和少突膠質(zhì)細(xì)胞瘤分為IDH突變型和IDH野生型兩類，依據(jù)1p/19q聯(lián)合缺失、ATRX和TP53突變等基因型特征進(jìn)一步將IDH突變型分為：①伴有ATRX缺失和TP53突變的膠質(zhì)瘤類型，彌漫性星形細(xì)胞瘤就屬于這一類型；②伴有1p/19q聯(lián)合缺失型，少突膠質(zhì)細(xì)胞瘤屬于這一類型。研究表明[13]，在ATRX丟失的背景下，IDH突變通過ATM通路的上調(diào)增強(qiáng)對DNA損傷，提示彌漫性星形細(xì)胞瘤中ATRX缺乏可能影響DNA修復(fù)途徑和治療敏感性。在Ⅱ/Ⅲ級膠質(zhì)瘤和膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中，最常見的IDH突變是IDH1 R132H(占IDH突變的85%～90%)，具有純合IDH1突變的膠質(zhì)瘤顯示出比雜合突變的膠質(zhì)瘤的2-HG水平要少得多[14]。此外，突變的IDH誘導(dǎo)產(chǎn)生的2-HG在膠質(zhì)瘤中會抑制TET家族，進(jìn)而導(dǎo)致膠質(zhì)瘤CPG島甲基化表型(G-CIMP)，這種異常甲基化的形成與IDH突變型膠質(zhì)瘤的發(fā)生密切相關(guān) ，并影響患者的預(yù)后[15]。臨床研究表明，IDH1突變是膠質(zhì)瘤獨(dú)立的、良好的預(yù)后標(biāo)志物，但其僅對Ⅱ級和Ⅲ級膠質(zhì)瘤預(yù)后有顯著影響，而對Ⅳ級膠質(zhì)瘤基本無影響，在膠質(zhì)瘤發(fā)展過程中，80%的低級別膠質(zhì)瘤和95%復(fù)發(fā)的繼發(fā)性膠質(zhì)瘤中基本都有IDH突變的發(fā)生[16]。

3.3 IDH突變和其他腫瘤

除了在膠質(zhì)瘤和急性髓系白血病中會發(fā)生IDH突變外，在肝內(nèi)膽管癌(ICCA)、軟骨肉瘤、前列腺癌等中均有IDH突變的報道。膽管癌中IDH1突變高于IDH2突變(比率10∶1)，以IDH1 R132C為最常見的突變(占IDH突變的50～60%)，在ICCA中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)有IDH1/2突變[17]，IDH突變體在肝細(xì)胞中的表達(dá)增多導(dǎo)致2-HG的過度累積，造成正常肝細(xì)胞的異常分化。有研究[18]發(fā)現(xiàn)在IDH1/2突變的IHCC患者中2-HG水平與腫瘤負(fù)荷直接相關(guān)。軟骨肉瘤也存在IDH1/2突變，類似于膽管癌的IDH突變[19]。有報道顯示[20]，內(nèi)生軟骨瘤和中央型軟骨肉瘤的突變率大致相同，不僅在原發(fā)性中央軟骨肉瘤中有IDH1突變，在局部復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移的軟骨肉瘤中也發(fā)現(xiàn)了相同的突變。

4 IDH突變抑制劑

近年來，人們一直在不斷研究針對IDH突變的抑制劑，隨著研究的不斷深入，幾種IDH突變抑制劑已經(jīng)研發(fā)了出來。IDH抑制劑在AML患者中表現(xiàn)出良好的臨床反應(yīng)，Ivosidenib(AG-120)是一種小分子藥物，是突變型IDH1的抑制劑，可降低血清總2-HG水平，并誘導(dǎo)突變型IDH1 AML細(xì)胞分化，F(xiàn)DA于2018年7月20日批準(zhǔn)該藥物用于治療帶有IDH1突變的成人R/R AML[21]；Enasidenib(AG-221)是一種IDH2突變抑制劑，但其對IDH2 R172K突變的抑制作用強(qiáng)于IDH1 R140Q突變[22]，F(xiàn)DA已于2017年8月1日批準(zhǔn)用于治療帶有IDH2突變的成人R/R AML[23]。BAY1436032是一種IDH1突變蛋白的變構(gòu)抑制劑，它可以有效降低2-HG水平，抑制白血病干細(xì)胞的自我更新和增殖；Chaturvedi等[24]研發(fā)的IDH1抑制劑HMS-101可以有效阻止發(fā)生IDH1突變的AML患者白血病細(xì)胞的集落形成，并且不影響骨髓中正常CD34+細(xì)胞的增殖，還能顯著降低體外2-HG的水平；Rohle等[25]報道了一種新的IDH突變體合成抑制劑AGI-5198，該抑制劑能阻斷2-HG的產(chǎn)生，從而逆轉(zhuǎn)病情的惡化；IDH1R132H抑制劑通過降低2-HG促進(jìn)組蛋白H3K9me3去甲基化，誘導(dǎo)腦膠質(zhì)瘤細(xì)胞的分化，從而抑制腫瘤的發(fā)生。Li等[26]的研究表明，用AGI-5189作用于IDH突變型軟骨肉瘤細(xì)胞株后，降低了2-HG的生成，抑制了軟骨肉瘤細(xì)胞株的集落形成及其遷移距離，促進(jìn)了軟骨肉瘤細(xì)胞的凋亡。

5 總 結(jié)

IDH在機(jī)體多種代謝途徑發(fā)揮著重要作用，而IDH突變與諸多腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。IDH突變后的產(chǎn)物2-HG在腫瘤發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮著獨(dú)特作用，有望成為IDH突變相關(guān)腫瘤診斷及預(yù)后判斷的潛在指標(biāo)，更可能成為多種腫瘤治療的新靶點(diǎn)。目前IDH突變抑制劑在急性髓系白血病和膠質(zhì)瘤治療上取得了很大的進(jìn)展，但對其他腫瘤的臨床治療效果如何尚需進(jìn)一步的研究證實(shí)。IDH突變在腫瘤發(fā)生發(fā)展中確切機(jī)制尚不完全清楚，因此，進(jìn)一步研究IDH突變在與腫瘤發(fā)生發(fā)展的作用是非常有必要的。隨著將來對IDH突變在相關(guān)腫瘤發(fā)生作用機(jī)理逐步探索，相信未來會研發(fā)出更多針對不同腫瘤IDH突變的靶向藥物。