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經(jīng)典重讀丨Nature腫瘤中IDH1突變和2-HG
異檸檬酸脫氫酶1（IDH1）突變是一大類原發(fā)性腦癌的普遍特征。這些突變發(fā)生在IDH1活性位點(diǎn)的單個(gè)氨基酸殘基上，導(dǎo)致IDH1催化異檸檬酸生成α-酮戊二酸（α-KG）的活性消失。但是腫瘤中都是該基因的單拷貝突變，提示突變可能并不是簡(jiǎn)單的導(dǎo)致功能喪失。來自Agios制藥公司的LennyDang等人2009年在Nature雜志發(fā)表題為“Cancer-associated IDH1 mutations produce 2-hydroxyglutarate”的研究論文。截止到目前為止，已經(jīng)被引用2500余次，成為腫瘤標(biāo)志物研究中的高引文獻(xiàn)，今天我們就帶大家重新溫故這篇?dú)v久彌新的經(jīng)典論文。
研究發(fā)現(xiàn)突變的IDH1具有了新的催化能力，即依賴NAPDH催化α-酮戊二酸生成R-2-羥基戊二酸（2-HG）。晶體結(jié)構(gòu)研究表明活性位點(diǎn)132號(hào)位的精氨酸突變成組氨酸后導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變化使突變后的酶獲得了將α-酮戊二酸轉(zhuǎn)化成2-HG的能力。2-HG代謝異常的病人會(huì)在體能積累過多的2-HG，2-HG的積累是導(dǎo)致惡性腦腫瘤的危險(xiǎn)因素。在攜帶IDH1突變的惡性膠質(zhì)瘤內(nèi)，2-HG水平也顯著升高。這些結(jié)果表明IDH1突變產(chǎn)生腫瘤代謝物2-HG，提示體內(nèi)過多的2-HG累積參與膠質(zhì)瘤的形成和惡性進(jìn)展。
研究思路與方法
構(gòu)建不同基因背景的細(xì)胞系，對(duì)不同細(xì)胞進(jìn)行基于LC-MS的代謝組分析，然后鑒定差異性代謝物。酶活性分析采用經(jīng)典的酶活分析方法，即純化蛋白進(jìn)行體外酶活實(shí)驗(yàn)。結(jié)合晶體結(jié)構(gòu)解釋了催化的分子機(jī)理。最后在人類腫瘤樣品中驗(yàn)證了相關(guān)重要結(jié)果。
結(jié)果與討論
表達(dá)突變IDH1的細(xì)胞含有高濃度的2-HG
作者首先在U87MG膠質(zhì)母細(xì)胞瘤細(xì)胞中穩(wěn)定表達(dá)野生型IDH1或者突變的IDH1，然后對(duì)構(gòu)建的細(xì)胞系進(jìn)行基于LC-MS的代謝組分析。通過比較表達(dá)突變IDH1細(xì)胞與表達(dá)野生型細(xì)胞的代謝輪廓差異，發(fā)現(xiàn)三個(gè)特征性離子峰在表達(dá)突變IDH1的細(xì)胞中顯著升高（P< 0.001, FC > 80）。其中的一個(gè)離子質(zhì)荷比m/z=147.0299與2-HG的特征離子峰精確匹配，而另外兩個(gè)離子分別是2-HG的加鈉峰和脫水峰。2-HG標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)一步確認(rèn)所發(fā)現(xiàn)的差異代謝物的確是2-HG。13C同位素標(biāo)記分析發(fā)現(xiàn)合成2-HG的主要碳源來自谷氨酰胺。
圖1表達(dá)IDH1 R132H突變的細(xì)胞中2-HG水平顯著升高
突變的IDH1直接將α-酮戊二酸轉(zhuǎn)換成2-HG
多種證據(jù)都表明R132H突變的IDH1具有新的催化能力，即將α-酮戊二酸轉(zhuǎn)換成2-HG。為了驗(yàn)證這一假設(shè)，作者純化了野生型IDH1和R132H突變的IDH1進(jìn)行了體外酶活測(cè)試。發(fā)現(xiàn)突變的IDH1不能像野生型IDH1一樣催化異檸檬酸生成α-酮戊二酸，而具有了新功能，即依賴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為R-2-HG，而不是S-2-HG。與R132H突變相似，R132C、R132L和R132S突變均可以使突變的IDH1獲得依賴NAPDH還原α-酮戊二酸的能力。因此，除了異檸檬酸氧化脫羧受損外，人類膠質(zhì)瘤IDH1突變的一個(gè)共同特征是依賴NADPH直接還原α-酮戊二酸。
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圖2 IDH1（R132H突變）導(dǎo)致R-2-HG的產(chǎn)生X射線結(jié)構(gòu)揭示突變IDH1的活性位點(diǎn)
為了研究R132突變是如何改變IDH1的酶活特性的，作者解析了R132H突變IDH1結(jié)合α-酮戊二酸、NADPH和Ca2+離子的晶體結(jié)構(gòu)，分辨率為2.1埃。R132H突變IDH1同型二聚體的整體四級(jí)結(jié)構(gòu)與野生型的IDH1類似，但是由于R132位于一個(gè)相對(duì)剛性結(jié)構(gòu)域β折疊的上方，是一個(gè)“gate-keeper”殘基，參與酶開放狀和閉合態(tài)的構(gòu)象調(diào)節(jié)。R132H突變對(duì)酶的構(gòu)象平衡和活性位點(diǎn)識(shí)別產(chǎn)生了影響。
圖3 IDH1 R132H突變的空間結(jié)構(gòu)
2-HG水平在人類膠質(zhì)瘤樣品中升高
上述結(jié)果表明IDH1 R132突變可以催化α-酮戊二酸生成2-HG，作者進(jìn)一步在表達(dá)IDH1突變的腫瘤中檢測(cè)2-HG的含量。與表達(dá)野生型的IDH1相比，表達(dá)突變IDH1的腫瘤內(nèi)α-酮戊二酸的含量少量降低，而2-HG升高則出現(xiàn)在所有的帶有IDH1突變的腫瘤中。在所有檢測(cè)的IDH1突變樣品中2-HG濃度在5-35 μmol每毫克組織。
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圖4攜帶IDH1 R132H突變基因的腦腫瘤患者的2-HG水平顯著升高
總結(jié)一下，本研究揭示了人腦腫瘤中攜帶的IDH1 R132突變使IDH1具有了新的催化能力，可以催化α-酮戊二酸生成腫瘤代謝物R-2-HG。
延伸閱讀
白血病是一種常見的血液系統(tǒng)惡性腫瘤，按照白血病細(xì)胞分化成熟度、自然病程和主要受累的細(xì)胞系列等，可分為急性白血�。ˋL）和慢性白血�。–L）：
急性白血�。ˋL），病情發(fā)展迅速，自然病程僅幾個(gè)月，又可分為急性淋巴細(xì)胞白血�。ˋLL）和急性髓系白血�。ˋML）；
慢性白血�。–L），病情發(fā)展緩慢，自然病程為數(shù)年，可分為慢性髓系白血病（CML）、慢性淋巴細(xì)胞白血�。–LL）以及少見類型的白血病。
在中國(guó)，急性白血病患者要多于慢性白血病（約5.5:1），其中急性髓系白血病最多，發(fā)病率為1.62/10萬，其次為急性淋巴細(xì)胞白血病，發(fā)病率為0.69/10萬。近年來，伴隨著人口老齡化，中國(guó)急性髓系白血病發(fā)病率呈逐年上升趨勢(shì)。據(jù)國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)（IARC）發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2020年中國(guó)新增白血病患者8.5萬人，導(dǎo)致6.2萬人死亡。在新增白血病患者中，約60%為急性髓系白血病，而在這些患者中，又有約6%-10%攜帶IDH1突變。
相關(guān)藥物
Agios的Enasidenib（恩西地平，AG-221）是一種變構(gòu)抑制劑，可與異檸檬酸脫氫酶2（IDH2）二聚體相結(jié)合，阻斷IDH2突變體產(chǎn)生2-HG。2017年8月該藥物被FDA以授予孤兒藥資格并上市，用于治療攜帶IDH2突變的成人復(fù)發(fā)或難治性急性髓系白血�。≧/R AML）患者。
Agios的另一藥物Ivosidenib（艾伏尼布，AG-120）為異檸檬酸脫氫酶1（IDH1）突變體抑制劑。2018年7月被FDA批準(zhǔn)上市，用于治療攜帶IDH1易感突變的成人復(fù)發(fā)或難治性急性髓系白血病（R/R AML）患者。2022年2月被NMPA批準(zhǔn)在中國(guó)上市。
此外，國(guó)內(nèi)外還有多家醫(yī)藥公司開發(fā)的IDH抑制劑新藥處于不同的臨床研究階段，如諾華的IDH305，拜爾的BAY1436032等。
