通过异柠檬酸脱氢酶-1依赖性氧化还原代谢易感性靶向脊索瘤

《Acta Neuropathologica》：Targeting chordoma via an isocitrate dehydrogenase-1-dependent susceptibility to redox metabolism

　　

摘要脊索瘤是沿中轴骨骼发生的罕见癌症。代谢改变是癌症的一个标志，研究人员试图确定脊索瘤中的代谢脆弱性。研究人员发现，三羧酸循环（TCA）相关酶异柠檬酸脱氢酶-1（IDH1）在大量和单细胞患者来源的脊索瘤中高表达，并与较差的生存结局相关。IDH1催化异柠檬酸和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP⁺）转化为α-酮戊二酸（α-KG）和NADPH。这一关键反应影响TCA循环代谢，调节表观遗传途径，并影响氧化还原平衡。IDH1敲低和靶向IDH1的抑制剂治疗均对脊索瘤细胞具有毒性。对IDH1抑制后转录组、染色质和代谢组反应的整合分析聚焦于谷胱甘肽代谢失调。IDH1抑制与NRF2（核因子红细胞2相关因子2）特征基因（包括谷胱甘肽生物合成途径中的基因）上激活型H3K27ac的表达增加和富集相关。这伴随着NADPH/NADP⁺和还原型/氧化型谷胱甘肽（GSH/GSSG）比值的降低。重要的是，IDH1抑制剂驱动的毒性可通过培养基中添加抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸得以挽救，表明脊索瘤中IDH1抑制产生了氧化还原依赖的代谢脆弱性。最后，IDH1抑制剂治疗在两个独立的脊索瘤小鼠异种移植模型中减少了肿瘤生长。研究人员的发现为脊索瘤的进一步探索提供了潜在的治疗途径。

**论文解读：靶向IDH1依赖的氧化还原代谢易感性治疗脊索瘤**

**研究背景与问题**

脊索瘤是沿中轴骨骼（脊柱和颅底）发生的罕见恶性骨肿瘤，被认为起源于胚胎期脊索残留。由于其解剖位置深在，手术切除困难，且对常规放疗相对抵抗，目前尚无获批的全身性治疗方案，患者预后极差。尽管代谢重编程是癌症的普遍特征，但脊索瘤中代谢通路的调控机制及其在肿瘤发生发展中的作用尚不明确。既往研究仅提示脊索瘤在PET影像中表现为中度葡萄糖类似物摄取，体外实验显示胶原蛋白支持其增殖，而低氧或低糖影响较小。近期研究通过线粒体DNA测序发现NADH复合体基因突变富集，并在多个队列中证实胆固醇代谢失调与肿瘤出芽和进展相关。然而，脊索瘤代谢重编程的全面数据仍十分有限。因此，研究人员旨在通过比较脊索瘤与其假定起源组织（脊索），识别潜在的代谢脆弱性，为开发新型治疗策略提供依据。

**研究方法**

本研究主要采用了以下关键技术方法（样本队列来源：Ramnik Xavier实验室公开的基因表达微阵列数据，包含4个脊索瘤肿瘤样本、3个细胞系和3个脊索组织；PedcBioPortal数据库33例脊索瘤样本；181例颅底脊索瘤临床队列；Zhang等2024年发表的104例独立队列；以及6例患者来源的单细胞RNA-seq数据）：
1. 转录组分析：使用微阵列、RNA-seq和单细胞RNA-seq（scRNA-seq）进行基因表达差异分析，并通过基因集富集分析（GSEA）和KEGG通路分析识别代谢通路。
2. 代谢组学分析：通过液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）进行靶向代谢物谱分析，并使用商业试剂盒定量NADP⁺/NADPH比值和GSH/GSSG比值。
3. 染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）：针对H3K27ac和H3K27me3进行全基因组染色质分布分析，并结合转录组数据整合分析。
4. 功能验证：通过短发夹RNA（shRNA）和小干扰RNA（siRNA）敲低IDH1，以及使用野生型IDH1抑制剂（IDH1i）进行药理学抑制，评估细胞增殖和体内异种移植模型（NOD-SCID-IL2Rγ链缺陷小鼠，NSG小鼠）的肿瘤生长。

**研究结果**

**1. IDH1在脊索瘤中表达升高，并与不良临床结局相关**
通过公开微阵列数据，研究人员发现与脊索组织相比，脊索瘤中多个代谢通路（包括氧化磷酸化、谷胱甘肽代谢和TCA循环）上调，其中IDH家族成员表达升高。PedcBioPortal数据（n=33）显示IDH1表达显著高于IDH2、IDH3A和IDH3B。单细胞RNA-seq数据进一步证实，在6个肿瘤中，表达IDH1的肿瘤细胞比例显著高于表达IDH2的细胞。在181例颅底脊索瘤队列中，高IDH1表达（高于中位数）的患者总生存期（OS）显著更差，且多变量分析提示其与较差的无进展生存期（PFS）独立相关。在独立验证队列（n=104）中，这一关联得到确认，而IDH2表达与OS或PFS无关。

**2. 靶向IDH1对脊索瘤细胞具有毒性**
通过shRNA和siRNA敲低IDH1，在UM-Chor1和CH22细胞系中均导致细胞增殖显著下降。使用IDH1抑制剂（IDH1i）处理5种脊索瘤细胞系，均表现出剂量依赖的增殖抑制，IC50值在低微摩尔范围。代谢分析证实，IDH1i处理导致α-KG水平显著降低，而底物异柠檬酸水平未变，且上游或下游代谢物（柠檬酸、琥珀酸、苹果酸）无一致变化，Seahorse分析也未发现TCA循环或糖酵解的整体改变。

**3. 谷胱甘肽代谢是IDH1抑制的关键应答通路**
对三种脊索瘤细胞系（UM-Chor1、CH22、JHC7）进行RNA-seq分析，发现IDH1抑制后共同上调的85个基因富集于NRF2相关通路和谷胱甘肽代谢。单细胞RNA-seq的伪批量差异表达分析也证实了IDH1表达细胞中谷胱甘肽代谢通路的富集。代谢组学分析显示IDH1i处理导致氧化型谷胱甘肽（GSSG）水平升高。整合转录组与代谢组通路影响分析进一步指出，谷胱甘肽代谢是三个细胞系中唯一共同上调的代谢通路。

**4. IDH1抑制在关键谷胱甘肽生物合成基因处富集激活型H3K27ac**
IDH1i处理降低了α-KG水平，可能影响组蛋白去甲基化酶和乙酰化修饰。ChIP-seq分析显示，IDH1抑制后，NRF2靶基因（包括谷胱甘肽生物合成基因SLC7A11、GCLM和GSR）的启动子区域H3K27ac信号显著富集，且这些基因的mRNA和蛋白水平均上调。基序分析确认NRF2是差异H3K27ac富集区域的主要转录因子。此外，高NRF2特征基因表达与脊索瘤患者较差的总体生存期相关。

**5. IDH1抑制降低NADPH/NADP⁺和GSH/GSSG比值，抗氧化剂可减轻毒性**
IDH1催化产生的NADPH是谷胱甘肽还原酶（GSR）将GSSG还原为GSH所必需的辅助因子。IDH1i处理显著降低了UM-Chor1和CH22细胞中的NADPH/NADP⁺比值，同时GSSG水平升高，GSH/GSSG比值显著下降。添加抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸（NAC）可部分或完全挽救IDH1i导致的增殖缺陷，提示氧化应激是IDH1抑制毒性的关键机制。

**6. IDH1抑制在体内具有治疗效果**
在CH22和U-CH1两种脊索瘤细胞系建立的NSG小鼠皮下异种移植模型中，IDH1i治疗组（10 mg/kg腹腔注射）与对照组相比，终点肿瘤体积和肿瘤生长倍数均显著降低，肿瘤重量也显著减轻。

**讨论与结论**

本研究表明，IDH1在脊索瘤中高表达且与不良预后相关，靶向IDH1（通过遗传或药理学方法）在体外和体内均具有抗肿瘤活性。机制上，IDH1抑制导致α-KG和NADPH水平下降，进而通过影响染色质修饰（H3K27ac富集）激活NRF2信号，上调谷胱甘肽生物合成基因，但由于NADPH供应不足，GSSG无法有效还原为GSH，导致GSH/GSSG比值降低，引发氧化应激毒性。研究人员结论部分原文翻译如下：脊索瘤是侵袭性强且难以治疗的肿瘤，研究人员试图确定代谢靶点以揭示潜在治疗策略。研究人员发现IDH1上调，并证明其高表达与脊索瘤患者队列中较差的生存率相关。通过shRNA和siRNA靶向IDH1，或在脊索瘤细胞中进行药理学抑制，在体外均具有毒性。来自转录组、调控性染色质谱和代谢组学分析的数据均聚焦于谷胱甘肽合成机制的上调。具体而言，研究人员注意到NRF2调控基因处H3K27ac沉积增加，与关键谷胱甘肽生物合成基因的上调相对应，这是脊索瘤细胞对该抑制剂的主要反应。与IDH1i处理相比，对照组细胞中GSSG水平升高，GSH/GSSG比值降低，同时伴随NADPH/NADP⁺比值下降，而NADPH/NADP⁺比值驱动GSSG还原为GSH。支持这些发现的是，N-乙酰半胱氨酸可挽救IDH1i处理时脊索瘤细胞的增殖缺陷。最后，研究人员在体内证实了IDH1靶向抑制剂的疗效。这些发现提示IDH1依赖的氧化还原代谢易感性是脊索瘤的一个潜在治疗靶点，值得进一步探索。