肿瘤中IDH1突变和2-HG

一、摘要

研究发现，IDH1基因的特定突变（如132位精氨酸转变为组氨酸）赋予其全新的酶活性，能够利用NADPH将α-酮戊二酸转化为R-2-羟基戊二酸（2-HG）。这一结构变化导致的功能转变，在分子水平上揭示了2-HG异常生成的机制。进一步地，体内2-HG水平的异常升高与某些疾病状态紧密相关，特别是在恶性脑肿瘤患者中观察到显著的2-HG积累，这被视为疾病恶化的一个风险因素。尤为值得注意的是，在携带IDH1突变的恶性胶质瘤中，2-HG的浓度显著上升，这一发现强化了IDH1突变通过促进2-HG生成而参与胶质瘤形成及恶性进展的假说。总之，IDH1的特定突变不仅改变了其代谢功能，还通过增加2-HG的体内积累，可能在胶质瘤的病理进程中扮演了关键角色。

二、背景

在约80%的Ⅱ、Ⅲ级胶质瘤和继发性胶质母细胞瘤中，发现IDH1基因常发生R132H突变，即第132位精氨酸突变为组氨酸。此突变常作为脑肿瘤中的首个基因变异，但其促进恶性转化的具体机制尚不清楚。R132H突变阻断了IDH1的正常代谢途径（异柠檬酸盐至α-酮戊二酸），但此变化对细胞代谢的全面影响尚待深入研究。

三、方法

为了探究基因变异对细胞代谢的影响，我们创建了具有不同遗传背景的细胞系，并应用液相色谱-质谱联用技术（LC-MS）对这些细胞进行了全面的代谢组学分析，旨在识别出具有显著差异的代谢物。随后，我们采用标准的酶学方法，即纯化目标蛋白并在体外条件下评估其酶活性，以深入了解这些代谢差异背后的酶促反应。结合高分辨率的晶体结构数据，我们进一步阐明了酶催化过程中的分子机制。最终，为了验证这些关键发现的临床相关性，我们在人类肿瘤样本中进行了相应的验证实验。

四、实验

研究人员在U87MG胶质母细胞瘤细胞中分别稳定引入了野生型IDH1（带有Myc标签）及突变型IDH1（IDHR132H），随后对这两组细胞的代谢产物进行了预处理和液相色谱电喷雾离子化质谱（LC-MS）分析（图1a）。在比较野生型与R132H突变体细胞的代谢谱时，发现绝大多数离子浓度相似，且三羧酸循环（TCA）代谢途径未见显著变化（图1b）。然而，有三处特征性离子峰在表达突变IDH1的细胞中异常升高（P < 0.001, FC > 80），这些峰经与2-HG标准品比对后，确认为2-HG的特异性信号（图1c、d）。这一结果明确显示，IDH1 R132H突变导致了细胞内2-HG水平的显著累积，且此现象并非U87MG细胞所独有，而是跨细胞类型的普遍现象。值得注意的是，尽管R132H突变已知会削弱IDH1的原有酶活性，但其却意外地赋予了细胞生成2-HG的新能力。

研究人员通过调整野生型与IDHR132H突变体IDH1的表达量，研究了突变体对IDH1活性的影响。实验显示，单独IDH1不产生可测NADPH，但野生型IDH1能显著增加NADPH产量。联合表达时，NADPH减少，提示IDHR132H消耗NADPH，可能与生成2-HG（结构似α-酮戊二酸）有关。进一步实验确认，IDHR132H促进α-酮戊二酸依赖的NADPH消耗，且此过程在野生型IDH1共存下增强，表明IDHR132H突变体特异性地促进了NADPH依赖的α-酮戊二酸向2-HG的还原，且此过程不受野生型IDH1的抑制。

R132H突变通过两个关键机制影响IDH1：一是改变构象平衡，促进催化裂化及辅因子、底物的有效结合，增强对NADPH的亲和力，特别是在低浓度时促进α-酮戊二酸向2-HG的转化；二是突变导致关键盐桥变化，引发活性部位重组。这些变化共同作用，使IDHR132H成为人脑肿瘤中2-HG异常生成的关键酶。

五、讨论

2-HG的生成成为识别IDH1突变脑肿瘤患者的生物标志物，这对于评估患者预后至关重要，因为IDH1突变患者的生存期往往较其他类型胶质瘤患者更长。此外，针对低级别胶质瘤患者，抑制2-HG产生的免疫治疗策略可能带来显著益处，通过减缓或阻断疾病向恶性程度更高的继发性胶质母细胞瘤的转变，从而有效干预疾病的自然进程。

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