异柠檬酸脱氢酶 1

IDH1是二聚体胞质NADP依赖性异柠檬酸脱氢酶（EC 1.1.1.42），可催化异柠檬酸脱羧成α-酮戊二酸（Nekrutenko等，1998）。

细胞遗传学的位置：2q34
基因组坐标（GRCh38）：2：208,236,226-208,255,070

▼ 克隆和表达
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通过胎盘RNA的RT-PCR，然后是成人肝脏cDNA文库的PCR，Nekrutenko等（1998）克隆了人IDH1。推导的414个氨基酸的蛋白质具有46.7kD的计算分子量。它包含脱氢酶和苹果酸异丙酯脱氢酶签名序列，7个保守残基，预计与异柠檬酸结合，以及C端过氧化物酶体靶向信号。人IDH1与来自小鼠和2种田鼠的Idh1具有大约95％的氨基酸同一性。

通过在数据库中搜索与酿酒酵母Idp3类似的序列，Geisbrecht和Gould（1999）鉴定了一种人类结肠癌cDNA编码IDH1，他们将其称为PICD。推导的蛋白质与酵母Idp3具有59％的同一性。人肝癌细胞系的蛋白质印迹分析以46 kD的表观分子质量检测到PICD。在分级细胞中，大多数PICD与胞质级分相关，尽管大量与过氧化物酶体标记共定位。在大鼠肝细胞中，约27％的Picd蛋白与过氧化物酶体有关。

▼ 基因功能
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Geisbrecht和Gould（1999）发现，纯化的重组人PICD催化异柠檬酸的氧化脱羧反应，并且该反应需要NADP +。此外，人PICD可以补充Idp3无酵母中的油酸盐生长缺陷。

Shechter等（2003）发现在固醇剥夺的HepG2细胞中，IDH1 mRNA的表达增加了2.3倍，IDH1活性增加了63％。IDH1启动子区域通过SREBP1A（SREBF1; 184756）的表达而被激活，而在较小程度上则通过SREBP2（SREBF2; 600481）的表达被激活。电泳迁移率变动分析证实了SREBP1A与IDH1启动子区域中第-44至-25位核苷酸上的SREBP结合元件的优先结合。Shechter等（2003年）得出结论，IDH1的活性受胆固醇和脂肪酸生物合成途径的协调调节，表明IDH1提供了这些途径所需的胞质NADPH。

使用二维PAGE和Western blot分析，Memon等（2005）发现与分化良好的膀胱癌细胞系相比，IDPC的表达在低分化膀胱癌细胞系中被下调。与早期膀胱癌相比，晚期膀胱癌的组织活检也显示IDPC下调。

Ronnebaum等（2006）发现通过小干扰RNA的Icdc下调损害了2种大鼠胰岛素瘤细胞系和原代大鼠胰岛中葡萄糖刺激的胰岛素分泌。Icdc的抑制也减弱了葡萄糖诱导的丙酮酸循环活性和NADPH水平以及总细胞NADP（H）含量的增加。细胞提取物中8种有机酸的代谢谱分析表明，抑制Icdc可以增加乳酸的产生，这与丙酮酸循环的减弱一致，而其他中间体没有明显变化。Ronnebaum等（2006年）得出结论，ICDC在控制葡萄糖刺激的胰岛素分泌中起着重要作用。

Metallo等（2012年）表明，人类细胞利用α-酮戊二酸的还原代谢来合成用于脂质合成的乙酰辅酶A（AcCoA）。此IDH1依赖性途径在正常培养条件下的大多数细胞系中均具有活性，但在缺氧条件下生长的细胞几乎完全依赖于谷氨酰胺衍生的α-酮戊二酸酯的还原性羧化作用，从而重新产生脂肪。此外，即使在正常的氧气水平下，von Hippel-Lindau肿瘤抑制蛋白（VHL; 608537）缺乏的肾细胞系也优先使用还原性谷氨酰胺代谢进行脂质生物合成。Metallo等（2012年）得出的结论是，他们的研究结果确定了氧气在调节碳的使用以产生AcCoA和支持哺乳动物细胞中脂质合成中的关键作用。

Mullen等（2012）表明线粒体有缺陷的肿瘤细胞使用谷氨酰胺依赖性还原羧化而不是氧化代谢作为柠檬酸盐形成的主要途径。该途径使用NADP + / NADPH依赖性IDH1的线粒体和胞质同工型，随后谷氨酰胺衍生的柠檬酸盐的代谢提供了用于脂质合成的AcCoA和产生剩余柠檬酸循环（CAC）代谢产物及相关物质所需的4碳中间体。大分子前体。这种还原性，谷氨酰胺依赖性途径是在快速生长的恶性细胞中新陈代谢的主要模式，该恶性细胞的电子转运链（ECT）的复合物I或复合物III中含有突变，而富马酸盐水合酶突变的患者来源的肾癌细胞中也是如此（136850），并在具有正常线粒体的细胞中受到急性药理ECT抑制。Mullen等（2012）的结论是，他们的发现揭示了新型的谷氨酰胺依赖性途径的诱导，该途径逆转了许多经典CAC反应，支持肿瘤细胞生长，并解释了面对线粒体代谢受损时细胞如何生成CAC中间体库。

Lu等（2012年）报道，产生2-羟基戊二酸（2HG）的IDH突变体可阻止谱系特异性祖细胞分化为终末分化细胞所需的组蛋白去甲基化。在神经胶质瘤患者的肿瘤样本中，IDH突变与丰富的神经祖细胞中表达的基因的独特基因表达谱相关，这与组蛋白甲基化增加有关。为了测试IDH突变体促进组蛋白甲基化的能力是否有助于阻止未转化细胞的细胞分化，Lu等人（2012年）测试了新形态IDH突变体对体外脂肪细胞分化的影响。突变IDH或可渗透细胞的2HG的引入均与抑制谱系特异性分化基因的诱导表达和分化阻滞有关。这与抑制组蛋白甲基化标记的显着增加相关，而启动子DNA甲基化没有可观察到的变化。发现神经胶质瘤具有升高的相似的组蛋白阻抑标记水平。将产生2HG的突变体IDH稳定转染到永生化的星形胶质细胞中，导致组蛋白甲基化的逐步积累。在所检查的标记中，随着细胞在培养物中的传代，H3K9甲基化的增加可再现地出现在DNA甲基化的上升之前。此外，Lu等（2012年）发现在脂肪细胞分化过程中诱导了2HG抑制性H3K9脱甲基酶KDM4C（605469），并且RNA干扰抑制KDM4C足以阻止分化。Lu等（2012年）得出的结论是，他们的数据合在一起证明2HG可以抑制组蛋白去甲基化，而组蛋白去甲基化的抑制作用足以阻止未转化细胞的分化。

Turcan等（2012年）结果表明IDH1突变通过重塑甲基化组而建立了神经胶质瘤CpG岛甲基化子（G-CIMP）表型。这种重塑导致甲基化组和转录组的重组。大量的中级神经胶质瘤表观基因组的检查显示出独特的G-CIMP表型，高度依赖IDH突变的存在。将突变体IDH1引入原代人星形胶质细胞可改变特定的组蛋白标记，诱导广泛的DNA超甲基化，并以反映G-CIMP阳性低级神经胶质瘤观察到的变化的方式重塑甲基化组。此外，由突变IDH1激活的关键基因表达程序引起的表观基因组改变，以G-CIMP阳性的前神经胶质母细胞瘤为特征，而其他胶质母细胞瘤则无此特征，并且预示着生存率的提高。Turcan等（2012年）得出的结论是，他们的发现证明IDH突变是脑胶质瘤中CIMP的分子基础，为了解这些脑胶质瘤中的肿瘤发生提供了框架，并强调了人类癌症的基因组和表观基因组变化之间的相互作用。

Koivunen等（2012年）表明，与癌症相关的突变体IDH1或IDH2而非S-2HG产生的2HG的R对映体（R-2HG）刺激EGLN（例如EGLN1; 606425）活性，从而导致HIF降低（参见603348）水平，可增强人类星形胶质细胞的增殖和软琼脂的生长。Koivunen等（2012年）得出的结论是，他们的发现定义了一种对映异构体特异性机制，通过该机制，IDH突变型脑肿瘤中积累的R-2HG促进转化。

萨哈等（2014）表明突变体IDH1和IDH2（147650）阻止肝祖细胞通过产生2-羟基戊二酸（2HG）和抑制HNF4A（600281）来抑制肝细胞分化，HNF4A 是肝细胞同一性和静止性的主要调节剂。相应地，在成年肝脏中表达突变型Idh的基因工程小鼠模型显示出对肝损伤的异常反应，其特征为Hnf4a沉默，肝细胞分化受损和细胞增殖水平明显升高。此外，IDH和KRAS（190070）突变，人类肝内胆管癌（IHCC）子集中共存的遗传改变共同驱动肝祖细胞的扩张，恶性胆道病变的发展以及向转移性IHCC的发展。萨哈等（2014年）得出结论，他们的研究提供了IDH突变，肝细胞命运和IHCC发病机制之间的功能联系，并提出了IDH驱动的恶性肿瘤的新型基因工程小鼠模型。

Flavahan等（2016）显示，人IDH1和IDH2突变神经胶质瘤在cohesin-（请参见606462）和CTCF（604167）结合位点表现出甲基化过高，从而损害了该甲基化敏感性绝缘子蛋白的结合。CTCF结合减少与拓扑结构域之间的绝缘性丧失和异常的基因激活有关。Flavahan等（173）特别证明，CTCF在结构域边界的丢失使组成型增强子与受体酪氨酸激酶基因PDGFRA异常相互作用（173490），这是一种突出的神经胶质瘤癌基因。用脱甲基剂治疗IDH突变胶质瘤部分恢复了绝缘子功能并下调了PDGFRA。相反，CRISPR介导的IDH野生型神经胶质瘤球囊CTCF基序的破坏上调了PDGFRA并增加了增殖。

▼ 生化特征
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徐等（2004年）进行了人类IDH1与NADP，NADP，异柠檬酸和Ca（2+）复合的结构研究，并确定了该酶的3个构象状态。活性位点的结构片段在开放的非活性状态下呈环状构象，在半开放的中间状态呈部分解开的α螺旋，在封闭的活性状态下呈α螺旋。在活性构象中，asp279与Ca（2+）形成氢键以参与催化反应。在非活性构象中，asp279与ser94形成氢键，并阻止异柠檬酸进入活性位点。由于丝氨酸磷酸化使大肠杆菌Idh失活，Xu等人（2004年） 提出在asp279和ser94之间形成的氢键可以模拟失活的丝氨酸磷酸化。

▼ 基因结构
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Shechter等（2003）确定IDH1基因包含10个外显子并且横跨18.9 kb。前两个外显子未翻译，并包含5个推定的转录起始位点。核苷酸-44至-25含有SREBP结合元件（GTGGGCTGAG）。

▼ 测绘
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Chen等（1972年）发现可溶性IDH的罕见变体，并得出结论，该结构基因可能是常染色体的，并且不同于控制线粒体形式的基因座。Shows（1972）提出了细胞杂交数据，表明可溶性苹果酸脱氢酶（MDH1; 154200）和IDH是同系的。Boone等人使用了依赖于种间变异而不是多态性的细胞杂交方法（1972年）得出结论，IDH基因座在第20号染色体上。将可溶性IDH和可溶性MDH分配给第20号染色体（Ruddle，1973）。Creagan等（1974年）提出的证据表明这2个同基因位点位于2号染色体上。根据对人鼠杂交中平衡的相互易位（X; 2）（p22; q32）的研究，Van Cong（1976）得出结论，IDH1位于2q32- qter。通过剂量效应在2号染色体畸变的情况下，Narahara等人（1985年）得出的结论是IDH1基因座位于2q33.3号染色体上，可能位于近端。

▼ 分子遗传学
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在胶质瘤中的作用

为了鉴定多形性胶质母细胞瘤（GBM；参见137800）中的遗传改变，Parsons等（2008年）对20,661个蛋白质编码基因进行了测序，使用高密度寡核苷酸阵列确定了扩增和缺失的存在，并使用下一代测序技术对22个人类肿瘤样品进行了基因表达分析。这项全面的分析导致发现了在GBM中尚未改变的多种基因。最值得注意的是，Parsons等（2008年）在12％的GBM患者中发现IDH1活性位点的复发突变。IDH1突变发生在很大一部分年轻患者和大多数继发性GBM患者中，并且与总生存期增加有关。帕森斯等（2008年）得出结论，他们的研究证明了无偏基因组分析在表征人脑癌中的价值，并确定了潜在的有用的遗传改变，用于GBM的分类和靶向治疗。帕森斯等（2008年）发现，与11例IDH1突变患者相比，79例IDH1野生型患者的死亡风险比为3.7（95％置信区间为2.1至6.5； p小于0.001）。IDH1突变患者的中位生存期为3.8年，而野生型IDH1患者的中位生存期为1.1年。帕森斯等（2008）发现，大多数的肿瘤进行分析不得不在编码各TP53的（的组分的基因改变191170），RB1（614041）和PI3K（请参见171834）途径。帕森斯等（2008年）在105个GBM中的12个中检测到IDH1中精氨酸132（R132）的体细胞突变。在这些肿瘤中的10个中，突变为R132H（147700.0001），在其他2个中，突变为R132S。为了进一步筛选IDH1突变，44个GBM中有6个带有影响R132的体细胞突变。总共149个GBM中有18个（12％）的IDH1有改变。

严等（2009年）确定了445个中枢神经系统（CNS）肿瘤和494个非中枢神经系统肿瘤中IDH1基因和相关IDH2（147650）基因的序列。由正常和突变IDH1和IDH2基因产生的蛋白质的酶活性在用这些基因转染的培养的神经胶质瘤细胞中测定。严等（2009年）在超过70％的世界卫生组织（WHO）II级和III级星形细胞瘤和少突胶质细胞瘤以及由这些低级病变发展而来的胶质母细胞瘤中，发现了影响IDH1氨基酸132的突变。IDH1中没有突变的肿瘤经常具有影响IDH2基因类似氨基酸（R172）的突变。具有IDH1或IDH2突变的肿瘤具有独特的遗传和临床特征，患有此类肿瘤的患者比具有野生型IDH基因的患者具有更好的预后。4个测试的IDH1和IDH2突变均降低了编码蛋白的酶促活性。严等（2009年）得出结论，由IDH1和IDH2编码的NADP（+）依赖性异柠檬酸脱氢酶突变发生在多种类型的恶性神经胶质瘤中。

赵等（2009）显示IDH1的精氨酸132（R132）处的突变（参见147700.0001）削弱了该酶对其底物的亲和力，并通过形成催化惰性的异二聚体显着抑制了野生型IDH1的活性。突变IDH1在培养细胞中的强制表达减少了酶产物α-酮戊二酸（α-KG）的形成，并增加了缺氧诱导因子亚基HIF1-α（603348）的水平，该转录因子在氧气不足时促进肿瘤生长。低，其稳定性受α-KG调节。HIF1-α水平的升高可通过α-KG衍生物逆转。携带IDH1突变的人脑胶质瘤中的HIF1-α水平高于没有突变的人脑胶质瘤。从而，赵等（2009年）得出结论，IDH1似乎起着抑癌作用，当突变失活时，IDH1部分通过诱导HIF1途径促进肿瘤发生。

党等（2009年）表明，与癌症相关的IDH1突变导致该酶具有催化NADPH依赖的α-酮戊二酸还原为D-2-羟基戊二酸（2HG）的新能力。结构研究表明，当arg132突变为他的（R132H）时，活性位点上的残基发生位移，产生结构变化，这与异柠檬酸的氧化脱羧作用降低以及获得将α-酮戊二酸转化为2HG的能力相一致。研究表明，过量存在的2HG会导致先天性2HG代谢错误的患者罹患恶性脑瘤的风险增加（Aghili等，2009）（见600721）。同样，在具有IDH1突变的人类恶性神经胶质瘤中，Dang等人也发现了这一点（2009年）发现2HG的水平明显升高。党等（2009年）得出结论，他们的数据表明IDH1突变导致合成代谢物2HG的产生，并表明体内积累的过量2HG有助于神经胶质瘤的形成和恶性进展。

在对49个进行性星形细胞瘤的回顾性研究中，其中42个（86％）在IDH1基因中存在体细胞突变（2009年）发现IDH1突变的存在与患者生存期的增加显着相关（中位生存期分别为48个月和98个月），但并未影响替莫唑胺的治疗结果。

Rohle等（2013）研究了突变IDH1在具有内源IDH1突变的完全转化细胞中的作用。通过高通量筛选确定的选择性R132H-IDH1抑制剂（AGI-5198）以剂量依赖性方式阻断了突变酶（mIDH1）产生R-2-羟基戊二酸（R-2HG）的能力。在接近完全的R-2HG抑制条件下，mIDH1抑制剂诱导组蛋白H3K9me3脱甲基化（请参见602810），并诱导与胶质发生分化相关的基因的表达。对mIDH1的阻断会损害IDH1突变体的生长，但不会损害IDH1野生型胶质瘤细胞的生长，而在全基因组DNA甲基化方面却没有明显变化。Rohle等（2013年） 得出的结论是，mIDH1可能通过其表观遗传作用以外的机制促进神经胶质瘤的生长。

在急性髓性白血病中的作用

Mardis等（2009年）在188个急性髓样白血病（AML; 601626）样本中确定了8个R132C突变，在188个样本中确定了7个R132H突变。在1个样品中发现了R132S突变。IDH1基因的突变与正常的细胞遗传状态密切相关。它存在于80个细胞遗传学正常样本中的13个（16％）中。

Schnittger等（2010年）从1,414例AML患者中的93例（6.6％）的样本中识别出IDH1基因的体细胞杂合突变。在密码子arg132处观察到五个不同的突变，其中最常见的是R132C（54.8％）。IDH1突变的患者更常见的是未成熟的免疫表型（p小于0.001），女性（p = 0.003），总生存期较短（p = 0.110），无事件生存期较短（p小于0.003）和复发的累积风险较高（p = 0.001）。在所有IDH1突变病例中，超过73％的病例存在其他分子缺陷，最常见于NPM1（164040），与AML发病机理的多重打击假设相符。数据表明IDH1状态可能会添加有关AML中的特征和预后的信息。

Losman等（2013年）发现在人红白血病细胞和永生化的粒细胞-巨噬细胞祖细胞中规范IDH1突变体R132H的表达促进生长因子孤立性和分化受损，这是白血病转化的两个标志。尽管（S）-2-羟基戊二酸更有效地抑制酶（例如5-prime-methylcytosine TET2）（（300255），这与IDH突变肿瘤的发病机理有关。Losman等（606）提供的证据表明，这一悖论与（S）-2-羟基戊二酸与（R）-2-羟基戊二酸抑制EglN的能力无关（606425）脯氨酰羟化酶。另外，Losman等（2013年）表明，（R）-2-羟基戊二酸的转化是可逆的。

的癌症基因组图谱研究网络（2013）分析的从头AML的200临床注释成人病例的基因组，即使用全基因组测序（50例）或全基因组测序（150例），与RNA和微小RNA测序沿着和DNA甲基化分析。的癌症基因组图谱研究网络（2013）识别在IDH1或IDH2（回复突变147650中200分之39（20％）的样品）的基因。

Brewin等（2013）指出，癌症基因组图谱研究网络（Cancer Genome Atlas Research Network）（2013）的研究并未揭示在始建克隆中发生了哪些突变，正如疾病引发者所预期的那样，而在较小克隆中发生了哪些突变，随后又导致了疾病。米勒等（2013）回应说IDH1是他们研究中的几个基因之一，这些基因的突变经常在亚克隆中发现，这表明它们经常是协同突变。作者还确定了其他包含其认为可能是启动子的突变的基因。

在多发性软骨瘤病中的作用

有关多发性内生软骨病中体细胞IDH1和IDH2突变的讨论，请参见Ollier病（166000）和Maffucci综合征（614569）。

▼ 动物模型
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Sasaki等（2012年）报道了条件性敲入小鼠的特征，其中最常见的IDH1突变R132H被插入内源性鼠Idh1基因座，并在所有造血细胞或髓系细胞中表达。这些突变体显示出早期造血祖细胞数量增加，并发展为脾肿大和贫血，并伴有髓外造血，提示功能异常的骨髓生境。此外，与人类IDH1或IDH2突变型AML中观察到的情况相似，髓样特异性敲除细胞具有高甲基化的组蛋白和DNA甲基化变化。Sasaki等（2012年） 结论是，据他们所知，他们是第一个描述条件IDH1（R132H）-敲除小鼠的产生和特征的研究，也是第一个报告在小鼠模型中诱导白血病DNA甲基化标记的研究。

▼ 等位基因变异体（1个选定的示例）：
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.0001胶质母细胞复合体，体细胞
IDH1，ARG132HIS
在22种多形性胶质母细胞瘤（GBM）肿瘤中，有5种（参见137800），Parsons等（2008年）检测到IDH1转录物（G395A）395位上的鸟嘌呤变为腺嘌呤的变化，导致在该蛋白质的氨基酸残基132（其arg132，R132H）上的组氨酸取代了精氨酸。发现另外五个GBM在随后的筛选中带有突变。R132残基在进化上是保守的，并位于底物结合位点，在那里它与异柠檬酸的α-羧酸盐形成亲水相互作用。

Bralten等（2011）发现，与野生型相比，IDH1-R132H在已建立的神经胶质瘤细胞系中的过度表达导致增殖减少和更多的接触依赖性细胞迁移。与野生型注射相比，在小鼠中脑内注射IDH1-R132H导致1只小鼠的存活增加甚至没有肿瘤。细胞增殖减少与R132H变异蛋白产生的D-2-羟基戊二酸积累有关。增殖的降低与凋亡的增加无关，但与AKT1（164730）活性的降低有关。这些发现表明，R132H在体外和体内显着降低已建立的神经胶质瘤细胞系的侵袭性。Bralten等（2011年）注意到这些发现显然是矛盾的，因为IDH1突变的存在被认为有助于肿瘤发生。作者认为IDH1突变可能与肿瘤的发生有关，而不与肿瘤的进展有关。IDH1突变型肿瘤通常为低度恶性肿瘤，且通常生长缓慢。

舒马赫等（2014年）证明IDH1基因中的R132H变体包含适合突变特异性疫苗接种的免疫原性表位。包含突变区域的肽被呈列在MHC II类上，并诱导突变特异性CD4 + T-helper-1反应。在IDH1（R132H）突变的神经胶质瘤患者中自发出现的CD4 + T-helper-1细胞和抗体特异性识别IDH1（R132H）。用IDH1（R132H）p123-142对人源化小鼠进行肽疫苗接种可产生有效的MHC II类限制的突变特异性抗肿瘤免疫反应，并以CD4 + T细胞依赖性方式控制预先建立的同基因IDH1（R132H）表达肿瘤。