Idh1-KO 基因敲除小鼠

IDH1基因，即异柠檬酸脱氢酶1基因，编码一种参与三羧酸循环的关键酶——异柠檬酸脱氢酶1。该酶催化异柠檬酸转化为α-酮戊二酸，同时将NADP+还原为NADPH，是细胞内能量代谢和氧化还原平衡的重要调控者。IDH1基因的突变在多种癌症中都有发现，尤其是在胶质瘤中，其突变与肿瘤的发生发展和预后密切相关。

最近的全基因组突变分析发现，IDH1基因的体细胞突变在胶质母细胞瘤（WHO IV级胶质瘤）中有所发现，尤其是那些已知的从低级别胶质瘤（继发性胶质母细胞瘤）发展而来的肿瘤中。进一步的研究表明，IDH1基因在超过70%的WHO II和III级的星形细胞瘤和少突胶质细胞瘤中发生了影响氨基酸132的突变，并且这些突变也见于从这些低级别病变发展而来的胶质母细胞瘤。而没有IDH1基因突变的肿瘤通常在IDH2基因的相应氨基酸（R172）上有突变[1]。携带IDH1或IDH2突变的肿瘤具有独特的遗传和临床特征，并且这些肿瘤患者的预后比携带野生型IDH基因的患者更好。每种测试的IDH1和IDH2突变都降低了编码蛋白的酶活性。IDH1和IDH2编码的NADP+依赖性异柠檬酸脱氢酶的突变发生在多种类型恶性胶质瘤的大多数中[1]。

胶质瘤是成人中最常见的原发性脑肿瘤，分子研究已经确定了能够增强诊断并提供生物标志物的特征。IDH1/2突变与ATRX和TP53突变一起定义了弥漫性星形细胞瘤，而IDH1/2突变与1p19q缺失一起定义了少突胶质瘤。受体酪氨酸激酶基因的局灶性扩增、TERT启动子突变以及染色体10和13的缺失以及染色体7的三体性是胶质母细胞瘤的特征性特征，可用于诊断[2]。

IDH1突变是胶质瘤中最重要的遗传异常之一。尽管有几个遗传事件已经提高了其预后价值，但全基因组的表达变化尚未系统地分析。通过对中国胶质瘤基因组图谱数据库中310名患者的RNA-seq表达数据进行训练，以及297名患者的微阵列数据作为内部验证集，以及GSE16011队列（n=205）作为外部验证集，发现大约五分之一的基因在低级别胶质瘤（LGG）中根据IDH1突变状态而差异表达，产生了不同的基因表达谱。为IDH1突变的LGG建立了一个六基因风险特征，用于区分低风险和高风险病例，这些病例具有不同的预后。六基因特征是IDH1突变LGG的独立预后因素，与传统临床病理学因素相比具有更好的预测价值。此外，还描述了GBM中与不同IDH1状态相关的差异表达模式，这与LGG相似。这表明IDH1突变的影响在组织学分类中是保守的。六基因特征对IDH1突变GBM也具有相同的预后价值。通过结合胶质瘤分级、IDH1状态和六基因特征，所有胶质瘤患者都可以分为六个亚组。这六个亚组可以进一步总结为三个具有不同预后的集合。总的来说，在LGG和GBM中发现了与IDH1状态相关的基因表达谱；基于六个基因的风险特征对IDH1突变的LGG和GBM具有相同的预后价值。当与临床病理学因素结合时，六基因特征是一种可以精确风险分层并改善临床管理的工具[3]。

在急性髓系白血病（AML）患者队列中，IDH1/2突变的AML表现出全球DNA高甲基化和特定的超甲基化特征。此外，在细胞中表达产生2-羟基戊二酸（2HG）的IDH等位基因也诱导了全球DNA高甲基化。在AML队列中，IDH1/2突变与TET2突变相互排斥，TET2功能缺失突变与IDH1/2突变相关，具有类似的表观遗传缺陷。与这些遗传和表观遗传数据一致，IDH突变体在细胞中表达时损害了TET2的催化功能。最后，IDH1/2突变体的表达或Tet2耗竭损害了造血分化并增加了干细胞/祖细胞标记物的表达，表明具有共同的促白血病发生效应[4]。

IDH1基因突变是胶质瘤中最重要的遗传改变。最常见的IDH1突变导致精氨酸132（Arg/R132）的氨基酸取代，该氨基酸位于酶的活性位点。IDH1 Arg132His（R132H）突变可以降低胶质瘤细胞的增殖率。许多疾病遵循昼夜节律，有越来越多的证据表明昼夜节律的破坏可能是人类癌症的一个风险因素。昼夜节律的失调在包括胶质瘤在内的恶性肿瘤的发展中起着重要作用。脑-肌肉Arnt样蛋白1（BMAL1）和昼夜节律运动输出周期Kaput（CLOCK）是主要的生物节律基因。本研究旨在进一步研究IDH1 R132H突变与胶质瘤生物节律之间的关系，以及这是否影响胶质瘤的发生。TCGA数据库用于检测各种类型肿瘤中生物节律基因BMAL1和CLOCK的表达水平。此外，U87-MG细胞被感染了野生型和突变IDH1慢病毒。集落形成实验用于检测每个组的细胞增殖，流式细胞术检测细胞周期分布，Western blotting用于检测U87-MG细胞中野生型和突变IDH1、细胞周期蛋白、生物节律基因和Smad信号通路相关基因的表达水平。TCGA数据库结果显示，BMAL1和CLOCK在胶质瘤中异常表达。细胞成功感染了野生型和突变IDH1慢病毒。集落形成实验显示IDH1 R132H突变组的细胞增殖减少。流式细胞术检测到的细胞周期分布表明，IDH1基因突变增加了U87-MG细胞中G1期的比例，并降低了S期的比例。Western blotting结果显示，IDH1 R132H突变降低了S期相关蛋白细胞周期蛋白A和CDK2的表达水平，并增加了G1期相关蛋白细胞周期蛋白D3和CDK4的表达水平，但对G2/M期相关蛋白细胞周期蛋白B1的表达水平没有显著改变。生物节律基因BMAL1、CLOCK、周期（PER s（PER1，2和3）和隐色素（CRY s（CRY1和2）的表达水平显著降低，Smad信号通路相关基因Smad2、Smad3和Smad2-3的表达水平降低，而磷酸化（p）-Smad2、p-Smad3和Smad4的表达水平增加。因此，目前的结果表明，IDH1 R132H突变可能通过TGF-β/Smad信号通路改变U87-MG细胞中的细胞周期和生物节律基因[5]。

总的来说，IDH1基因突变在胶质瘤的发生发展和预后中发挥着重要作用。IDH1突变与特定的基因表达谱相关，可以用于风险分层和预后评估。此外，IDH1突变还与昼夜节律基因的表达变化相关，并可能通过TGF-β/Smad信号通路影响细胞周期和生物节律。IDH1基因突变的研究为胶质瘤的诊断、预后和治疗提供了重要的分子基础，并为未来的研究指明了方向。