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异柠檬酸脱氢酶基因/DH1/2是最常见的在肿瘤中发生高频率突变的代谢基因。IDH主要是催化异柠檬酸的氧化脱羧反应,生成α-酮戊二酸(α-KG)。突变IDH丧失其正常生成α-KG活力的同时,还获得了一种全新的活力,即催化α-KG生成2-羟戊二酸(2-HG)。我们的研究结果表明,IDH突变累积的2-HG因其与α-KG结构相似而成为α-KG的拮抗物,能够竞争性地抑制一系列以α-KG为底物的双加氧酶的活力,其中包括组蛋白去甲基化酶KDM和TET家族DNA羟甲基化酶,从而导致全基因组水平的组蛋白和DNA甲基化状态的改变。已知组蛋白和DNA甲基化修饰都会引起染色质结构和基因转录活性的变化,从而可能影响干细胞或前体细胞的分化,最终促进肿瘤的发生。接下来,本论文将研究重点放在了5-甲基胞嘧啶羟基化酶TET的活性调控及其病理生理意义。5-甲基胞嘧啶羟基化酶TET家族利用a-KG以及单核非血红素铁(Fe2+)作为协同底物和辅助因子,催化一系列连续的氧化反应,将5-甲基胞嘧啶(5mC)依次氧化为5-羟甲基胞嘧啶(5hmC),5-甲酰基胞嘧啶(5fC)和5-羧基胞嘧啶(5caC),最终使DNA去甲基化。通过免疫组化和点杂交分析,我们发现在众多类型的人类肿瘤(如肝癌、肺癌、乳腺癌、胰腺癌和前列腺癌)中,5hmC水平显著低于正常癌旁组织。在乳腺癌和肝癌中,5hmC水平降低伴随着TETs基因表达的下调,这为解释肿瘤组织中5hmC水平普遍降低提供了一种可能的分子机制。我们还发现,在不同基因型的小鼠肿瘤组织中,5hmC水平也显著低于正常组织。基于“5hmC水平在肿瘤组织中普遍降低”这一现象,我们认为,5hmC可能成为一个全新的肿瘤诊断标记物,应用于肿瘤的临床诊断。在正常生理条件下,通过对小鼠进行腹腔注射葡萄糖、谷氨酸或谷氨酰胺,我们能够改变小鼠肝脏及其他代谢相关组织中的a-KG水平。我们惊奇地发现,伴随着小鼠肝脏中a-KG水平改变,5hmC的水平也发生变化,且两者显著正相关。这一研究结果表明,葡萄糖、谷氨酸和谷氨酰胺等代谢物可以通过改变a-KG水平,调节TET酶活性,从而实现对5hmC水平的动态调控。另外,我们发现用维生素C处理小鼠胚胎干细胞系E14,可以快速升高5hmC的生成水平,一系列双加氧酶抑制剂(如CoCl2, DFO和DMOG)能够有效抑制维生素C诱导的5hmC水平升高。这一结果表明,维生素C可能通过维持或增加细胞内二价铁离子(Fe2+)的水平,增强TET酶活性,从而促进5hmC不断积累。可见,在细胞和机体,DNA羟甲基化酶TET活力受到多因了的动态调控。综上所述,我们发现,IDH突变导致2-HG异常积累,通过抑制组蛋白去甲基化酶KDM和DNA羟甲基化酶的活力,改变细胞内组蛋白和DNA的甲基化水平,从而可能与肿瘤发生密切相关；在肿瘤组织中,5hmC水平普遍显著下调,表明5hmC可以成为一个新的肿瘤诊断标记物,应用于肿瘤的临床诊断；5hmC作为一种去甲基中间物,其在细胞和机体中的水平通过DNA羟甲基化酶TET受到动态调控。