经典重读丨Nature肿瘤中IDH1突变和2-HG

异柠檬酸脱氢酶1（IDH1）突变是一大类原发性脑癌的普遍特征。这些突变发生在IDH1活性位点的单个氨基酸残基上，导致IDH1催化异柠檬酸生成α-酮戊二酸（α-KG）的活性消失。但是肿瘤中都是该基因的单拷贝突变，提示突变可能并不是简单的导致功能丧失。来自Agios制药公司的LennyDang等人2009年在Nature杂志发表题为“Cancer-associated IDH1 mutations produce 2-hydroxyglutarate”的研究论文。截止到目前为止，已经被引用2500余次，成为肿瘤标志物研究中的高引文献，今天我们就带大家重新温故这篇历久弥新的经典论文。

研究发现突变的IDH1具有了新的催化能力，即依赖NAPDH催化α-酮戊二酸生成R-2-羟基戊二酸（2-HG）。晶体结构研究表明活性位点132号位的精氨酸突变成组氨酸后导致结构变化使突变后的酶获得了将α-酮戊二酸转化成2-HG的能力。2-HG代谢异常的病人会在体能积累过多的2-HG，2-HG的积累是导致恶性脑肿瘤的危险因素。在携带IDH1突变的恶性胶质瘤内，2-HG水平也显著升高。这些结果表明IDH1突变产生肿瘤代谢物2-HG，提示体内过多的2-HG累积参与胶质瘤的形成和恶性进展。

研究思路与方法

构建不同基因背景的细胞系，对不同细胞进行基于LC-MS的代谢组分析，然后鉴定差异性代谢物。酶活性分析采用经典的酶活分析方法，即纯化蛋白进行体外酶活实验。结合晶体结构解释了催化的分子机理。最后在人类肿瘤样品中验证了相关重要结果。

结果与讨论

表达突变IDH1的细胞含有高浓度的2-HG

作者首先在U87MG胶质母细胞瘤细胞中稳定表达野生型IDH1或者突变的IDH1，然后对构建的细胞系进行基于LC-MS的代谢组分析。通过比较表达突变IDH1细胞与表达野生型细胞的代谢轮廓差异，发现三个特征性离子峰在表达突变IDH1的细胞中显著升高（P< 0.001, FC > 80）。其中的一个离子质荷比m/z=147.0299与2-HG的特征离子峰精确匹配，而另外两个离子分别是2-HG的加钠峰和脱水峰。2-HG标准品进一步确认所发现的差异代谢物的确是2-HG。¹³C同位素标记分析发现合成2-HG的主要碳源来自谷氨酰胺。

图1表达IDH1 R132H突变的细胞中2-HG水平显著升高

突变的IDH1直接将α-酮戊二酸转换成2-HG

多种证据都表明R132H突变的IDH1具有新的催化能力，即将α-酮戊二酸转换成2-HG。为了验证这一假设，作者纯化了野生型IDH1和R132H突变的IDH1进行了体外酶活测试。发现突变的IDH1不能像野生型IDH1一样催化异柠檬酸生成α-酮戊二酸，而具有了新功能，即依赖NADPH高效催化α-酮戊二酸生成2-HG。LC-MS分析表明所生成的2-HG为R-2-HG，而不是S-2-HG。与R132H突变相似，R132C、R132L和R132S突变均可以使突变的IDH1获得依赖NAPDH还原α-酮戊二酸的能力。因此，除了异柠檬酸氧化脱羧受损外，人类胶质瘤IDH1突变的一个共同特征是依赖NADPH直接还原α-酮戊二酸。

图2 IDH1（R132H突变）导致R-2-HG的产生X射线结构揭示突变IDH1的活性位点

为了研究R132突变是如何改变IDH1的酶活特性的，作者解析了R132H突变IDH1结合α-酮戊二酸、NADPH和Ca²⁺离子的晶体结构，分辨率为2.1埃。R132H突变IDH1同型二聚体的整体四级结构与野生型的IDH1类似，但是由于R132位于一个相对刚性结构域β折叠的上方，是一个“gate-keeper”残基，参与酶开放状和闭合态的构象调节。R132H突变对酶的构象平衡和活性位点识别产生了影响。

图3 IDH1 R132H突变的空间结构

2-HG水平在人类胶质瘤样品中升高

上述结果表明IDH1 R132突变可以催化α-酮戊二酸生成2-HG，作者进一步在表达IDH1突变的肿瘤中检测2-HG的含量。与表达野生型的IDH1相比，表达突变IDH1的肿瘤内α-酮戊二酸的含量少量降低，而2-HG升高则出现在所有的带有IDH1突变的肿瘤中。在所有检测的IDH1突变样品中2-HG浓度在5-35 μmol每毫克组织。

图4携带IDH1 R132H突变基因的脑肿瘤患者的2-HG水平显著升高

总结一下，本研究揭示了人脑肿瘤中携带的IDH1 R132突变使IDH1具有了新的催化能力，可以催化α-酮戊二酸生成肿瘤代谢物R-2-HG。

延伸阅读

白血病是一种常见的血液系统恶性肿瘤，按照白血病细胞分化成熟度、自然病程和主要受累的细胞系列等，可分为急性白血病（AL）和慢性白血病（CL）：

急性白血病（AL），病情发展迅速，自然病程仅几个月，又可分为急性淋巴细胞白血病（ALL）和急性髓系白血病（AML）；

慢性白血病（CL），病情发展缓慢，自然病程为数年，可分为慢性髓系白血病（CML）、慢性淋巴细胞白血病（CLL）以及少见类型的白血病。

在中国，急性白血病患者要多于慢性白血病（约5.5:1），其中急性髓系白血病最多，发病率为1.62/10万，其次为急性淋巴细胞白血病，发病率为0.69/10万。近年来，伴随着人口老龄化，中国急性髓系白血病发病率呈逐年上升趋势。据国际癌症研究机构（IARC）发布的数据显示，2020年中国新增白血病患者8.5万人，导致6.2万人死亡。在新增白血病患者中，约60%为急性髓系白血病，而在这些患者中，又有约6%-10%携带IDH1突变。

相关药物

Agios的Enasidenib（恩西地平，AG-221）是一种变构抑制剂，可与异柠檬酸脱氢酶2（IDH2）二聚体相结合，阻断IDH2突变体产生2-HG。2017年8月该药物被FDA以授予孤儿药资格并上市，用于治疗携带IDH2突变的成人复发或难治性急性髓系白血病（R/R AML）患者。

Agios的另一药物Ivosidenib（艾伏尼布，AG-120）为异柠檬酸脱氢酶1（IDH1）突变体抑制剂。2018年7月被FDA批准上市，用于治疗携带IDH1易感突变的成人复发或难治性急性髓系白血病（R/R AML）患者。2022年2月被NMPA批准在中国上市。

此外，国内外还有多家医药公司开发的IDH抑制剂新药处于不同的临床研究阶段，如诺华的IDH305，拜尔的BAY1436032等。