一种基因编码荧光传感器可灵敏且特异地检测 IDH 突变相关的致癌代谢物 D-2 - 羟基戊二酸

研究人员开发出基因编码荧光传感器 D2HGlo 检测 D-2 - 羟基戊二酸（D-2-HG），或助力 IDH 突变癌症诊疗。

　　

研究背景：亟待突破的癌症检测困境

在癌症研究领域，有一种名为 D-2 - 羟基戊二酸（D-2-HG）的神秘物质，它与多种癌症紧密相连，像是胶质瘤和急性髓系白血病（AML）。正常情况下，异柠檬酸脱氢酶（IDH）会 “兢兢业业” 地将异柠檬酸转化为 α- 酮戊二酸，同时把 NADP⁺还原成 NADPH。然而，当 IDH 的 132 位精氨酸（IDH1）或 140、172 位精氨酸（IDH2）发生突变时，就仿佛按下了 “开关”，IDH 开始催化 α- 酮戊二酸生成 D-2-HG。

D-2-HG 大量积累可不是件好事，它会 “捣乱”，竞争性抑制 α- 酮戊二酸 / Fe（I）依赖性双加氧酶家族的酶，进而引发一系列不良后果。在胶质瘤中，这会导致与胶质瘤 CpG 岛甲基化表型（G-CIMP）相关的表观遗传改变，还会让癌基因和抑癌基因异常表达。不过，IDH 突变也有 “意外之喜”，携带这种突变的胶质瘤细胞对 DNA 损伤剂和 PARP 抑制剂更敏感，患者预后相对较好，所以 IDH 突变成为了重要的预后生物标志物。

目前，检测 IDH 突变的方法存在不少问题。像测序和免疫组化（IHC），不仅耗时久，医生要等上好几天甚至几周才能知道肿瘤的遗传特征；而检测 D-2-HG 的现有方法，如气相色谱 - 质谱联用（GC-MS）、液相色谱 - 串联质谱（LC-MS/MS）和磁共振波谱（MRS），虽然能检测，但操作复杂、成本高，不适合临床快速常规检测，而且对于最佳样本类型和对应 IDH 突变状态的代谢物相对含量也没有统一标准。所以，开发一种快速、简便、准确的检测方法迫在眉睫。

研究概况：新技术带来新希望

为了解决这些难题，来自美国北密歇根大学等机构的研究人员展开了深入研究。他们成功开发出一种基因编码的荧光传感器 D2HGlo，并在《BMC Cancer》上发表了相关研究成果。

研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：一是分子克隆技术，从 Achromobacter denitrificans NBRC 15,125 中获取 D-2-HG 脱氢酶调节因子（DhdR）基因，并构建各种载体；二是蛋白质表达与纯化技术，在大肠杆菌中表达并纯化 D2HGlo；三是体外荧光检测技术，通过不同条件下的荧光测量，对 D2HGlo 进行表征；四是细胞实验技术，利用多种细胞系进行转染、成像、细胞活力检测等实验，还对肿瘤样本进行分析。

研究结果：D2HGlo 的卓越性能

1. D2HGlo 的开发与优化：研究人员以 DhdR 为 D-2-HG 结合结构域，设计了基于荧光共振能量转移（FRET）的传感器。在这个传感器中，DhdR 位于增强型青色荧光蛋白（ECFP）和环形排列的 Venus 变体（cpV173）之间。当 D-2-HG 与 DhdR 结合时，会引起构象变化，增加两个荧光蛋白之间的 FRET。通过对传感器的优化，得到了性能优异的 D2HGlo，其对 D-2-HG 的表观结合亲和力（K_d'）为 3.36 ± 0.67 μM，体外动态范围达到 1.67 ± 0.03，检测限低至 308 nM。
2. 体外特性表征：在体外实验中，D2HGlo 展现出了出色的特异性，对七种柠檬酸循环中间体和三种与 D-2-HG 结构相似的代谢物均无响应。同时，它在生理 pH 和适宜温度下能稳定工作，锌离子的存在是其发挥功能的必要条件。此外，D2HGlo 对 D-2-HG 的亲和力远高于其对映体 L-2-HG，在生理相关浓度的 L-2-HG 背景下，仍能准确检测 D-2-HG。
3. 细胞内 D-2-HG 的检测：研究人员开发了靶向不同亚细胞结构的 D2HGlo 探针，包括胞质（Cyto-D2HGlo）、细胞核（Nuc-D2HGlo）和线粒体（Mito-D2HGlo）。通过实验发现，IDH1 突变的 U87MG 细胞在这三个亚细胞结构中的 D-2-HG 水平均显著升高。使用 FDA 批准的 IDH1 突变抑制剂 AG-120 处理细胞后，D-2-HG 水平下降，进一步证明了 D2HGlo 对细胞内 D-2-HG 检测的特异性。同时，研究还发现突变 IDH 驱动的 D-2-HG 积累与糖酵解有关，而非谷氨酰胺分解代谢。
4. 生物样本中的检测：D2HGlo 能够检测细胞培养上清液和多种人体生物流体（如血清、尿液、人工脑脊液）中的 D-2-HG，且在不同生物基质中的性能稳定。在对胶质瘤肿瘤样本的检测中，D2HGlo 成功区分了 IDH1 野生型和突变型样本，FRET 比值大于 1.7 可能预示着 IDH1 突变的存在。

研究结论与意义：开启癌症诊疗新篇章

这项研究成功开发出了 D2HGlo 这一基因编码荧光传感器，它在检测 D-2-HG 方面展现出了高灵敏度、高特异性和良好的实用性。在临床应用方面，D2HGlo 有望成为一种强大的液体活检工具，用于术前推断 IDH 突变的存在，监测突变 IDH 抑制剂治疗的疗效，不过这还需要大量临床样本的验证。在基础研究方面，D2HGlo 为研究 D-2-HG 在细胞内的分布和功能提供了有力的工具，有助于深入了解 IDH 突变细胞的肿瘤发生机制。

尽管目前 D2HGlo 在临床应用上还存在一些需要解决的问题，如需要进一步评估其在临床样本中的实用性，以及优化检测方法以提高准确性等，但总体而言，这项研究成果为癌症的诊断和治疗开辟了新的道路，为未来攻克癌症带来了新的希望。