合成致死在癌症治療中的作用

對於細胞中的兩個基因，其中任何一個單獨突變都不會導致細胞死亡，而兩者同時突變就會導致細胞死亡，這種現象就稱為合成致死。近年來，合成致死逐漸成為開發新一代腫瘤靶向藥物的潛在策略。當腫瘤細胞中某一條特定通路發生突變，抑制其合成致死相關分子的活性會導致腫瘤細胞死亡。隨著阿斯利康將聚腺苷二磷酸核糖聚合酶（PARP）抑制劑Olaparib（奧拉帕尼）成功推向市場，給合成致死從理論走向臨床應用帶來突破性進展。本文結合相關文獻，編譯整理了合成致死在癌症治療中的研究進展和潛在作用。

概述

合成致死最早是1922年Bridges在果蠅中觀察到的一種遺傳現象，之後在1946年由Dobzhansk對其命名。Bridges發現，對於細胞中的兩個基因，其中任何一個單獨突變都不會導致細胞死亡，而兩者同時突變就會就會導致細胞死亡，這種現象被稱為合成致死。隨後，在酵母中發現了多種合成致死相互作用關係，直到人類基因組測序的完成以及全基因組RNAi（RNA干擾）的實現，這些相互作用在實驗性哺乳動物系統中也被相繼發現。眾所周知，癌症治療的主要挑戰在於如何在殺死癌細胞的同時不損傷正常細胞，化療的主要限制來源於化療葯帶來的毒副作用和耐藥性。理論上，合成致死可以保證在正常細胞不受影響的情況下，選擇性靶向殺死癌細胞（圖1）。2014年12月19日，奧拉帕尼獲美國FDA批准，作為單葯治療至少接受過3次化療或者懷疑BRCA突變的晚期卵巢癌患者。PARP抑制劑奧拉帕尼可以抑制BRCA1/2突變的癌細胞，作用機制就在於PARP和BRCA1/2的合成致死相互作用。BRCA1/2缺陷的細胞對奧拉帕尼的敏感程度是正常細胞的1000倍。

圖1：合成致死模型

癌症治療中有潛力的合成致死相互關係

雖然合成致死相互作用已經可以在人類細胞中進行廣泛的篩選，但是它們在癌症治療中很多潛力仍然不明確。下面介紹幾種癌症治療中有潛力的合成致死作用。

致癌基因

1）K-Ras

K-Ras是癌症中最常見的突變基因之一，是有潛力的藥物靶標。然而，目前的研究表明K-Ras很難成為小分子藥物的靶點。因此，尋找K-Ras的合成致死相互作用分子成為研究熱點。Elledge和他的同事發現檢查點polo樣激酶PLK1與 K-Ras有合成致死作用。PLK1可參與有絲分裂大部分時期的調控。在K-Ras突變的腫瘤細胞中，抑制PLK1會導致強烈的前中期阻滯。然而，無論是正常細胞還是癌細胞，PLK1都是不可缺少的。因此，抑制PLK1對正常細胞和腫瘤細胞都會有影響，這種影響的不同之處在於量。通過篩選一部分K-Ras突變的細胞系，發現絲氨酸/蘇氨酸激酶33（STK33）也可能與K-Ras存在合成致死作用。但是後續研究未能重現這一相互作用，並且抑制STK33並沒有對K-Ras突變細胞產生特異性毒性。在K-Ras突變肺癌細胞系中，TBK1（non-canonical IκB kinase TANK-binding kinase 1）顯示出與K-Ras的合成致死相互作用。TBK1的作用機制可能是通過NFκB通路產生促生存信號。CDK4 也被認為與K-Ras存在合成致死相互作用，但是機制尚不清楚。CDK抑制劑MK-7965已經推進到Ⅱ期臨床試驗，在癌症治療中顯示出潛力。

2）Myc

Myc家族（包括c-Myc、N-Myc和L-Myc）是一組轉錄因子，通常過表達、擴增和易位，並且與不同腫瘤細胞有關。Myc也是一類很難成藥的靶點。同樣的，尋找與Myc能產生合成致死作用的分子具有重要意義。Quon與他的同事發現，激活Trail死亡受體DR5對Myc過表達的成纖維細胞是致死的。因此，DR5激動劑成為Myc突變癌症治療的靶向藥物。DR5激動劑TAS266正在進行實體瘤臨床試驗，實驗結果尚不清楚。有研究報道，CDK與Myc存在組織特異性合成致死相互作用：在淋巴瘤、肝母細胞瘤和Myc依賴的乳腺癌中，Myc與CDK1存在合成致死關係；在成神經細胞瘤中，Myc與CDK2存在合成致死關係。

抑癌基因

1）VHL

VHL是一種腫瘤抑制基因，與腫瘤多發綜合征有關，分布在某些特定腫瘤中，包括中央神經系統的膠質母細胞瘤、視網膜血管瘤、胰島細胞瘤、腎上腺嗜鉻細胞瘤和腎臟腫瘤。腎細胞癌（RCC）對放療藥物和標準化療藥物都有一定抵抗性。據估計，超過80%的自發和遺傳性腎臟腫瘤中有VHL突變或由甲基化引起的基因沉默。shRNA 庫以及小分子化合物庫的高通量篩選已成為篩選與VHL基因缺陷細胞具有合成致死作用藥物的重要方法。研究發現VHL可能與CDK6、MET和MAP2K1存在合成致死作用。合成致死作用的研究為更直接地探索VHL基因突變的RCC的靶向治療提供了機會。

2）PTEN

PTEN是一種抑癌基因，其突變經常發生於遺傳的和自發的癌症中。PTEN基因的缺失可增加AKT信號通路的激活，增加細胞增殖和蛋白質的合成，降低細胞凋亡。研究已經表明，PTEN基因缺失與抑制mTOR可產生合成致死作用。mTOR抑制劑CCI-779對PTEN基因缺失的細胞系有選擇性毒性。另外，PTEN基因的功能之一是通過同源重組修復斷裂的雙鏈DNA。因此，除了有BRCA基因突變的乳腺癌和卵巢癌，PARP抑制劑對PTEN基因缺失的癌症也有效果。

DNA損傷反應途徑

由於內外環境影響因素，細胞DNA通常會有損傷的風險。為了維持基因組的完整性，細胞會發展出部分冗餘的或重疊的DDR途徑來修復DNA損傷。在腫瘤發生的過程中，DDR通路會發揮作用，阻止腫瘤的發生和惡化，因此，很多腫瘤的DDR途徑是有缺陷的。由於這種缺陷，腫瘤細胞對DNA損傷劑通常比正常細胞更敏感，這也是放療和化療的理論基礎。除此之外，當腫瘤的部分DDR途徑存在缺陷時，那麼它的存活就取決於其餘的DDR途徑。通過抑制這些通路，就可以實現合成致死相關策略。

1）PARP

聚腺苷二磷酸核糖聚合酶（PARP）是一種單鏈DNA修復酶，其通過鹼基切除修復（Base excision repair，BER）途徑對DNA複製過程出現的單鏈損傷（SSBs）進行鹼基切除修復，從而參與了DNA的複製與轉錄並維持基因組穩定性。PARP功能缺失對於正常細胞或者生物體來說是可以承受的。例如，PARP缺陷的小鼠可以存活和生育，並且不會發展早期腫瘤。主要的原因在於，PARP功能損傷會導致持續的DNA損傷，而這種損傷可以通過同源重組修復途徑（HR）來修復。BRCA1/2缺陷的腫瘤細胞無法通過HR修復途徑修復損傷（圖2）。因此，BRCA1/2缺陷的細胞對PARP抑制劑敏感。報道稱，BRCA突變的細胞對PARP的敏感程度是野生型細胞的1000倍。2005年，Helen、Hannah及其同事首次展示了PARP抑制劑在BRCA1/2缺陷的腫瘤患者治療中的潛力。奧拉帕尼是由阿斯利康研發的首創口服PARP抑制劑。在美國，奧拉帕尼被批准用於具有BRCA突變（用FDA批准的檢測方法檢測），且經化療的晚期卵巢癌患者的治療。更多研究表明，PARP抑制劑不僅對BRCA突變的腫瘤有效，對其他的腫瘤也有療效，例如PTEN突變的和ATM缺陷的腫瘤。

圖2：PARP抑制劑對BRCA1/2缺陷性細胞的選擇性合成致死作用

2）MTH1

細胞代謝會產生活性氧（ROS），可引起DNA、RNA、蛋白質和脂質的氧化損傷。通常癌細胞會發生氧化還原調控異常，導致ROS水平升高。ROS會產生氧化的dNTP（脫氧核糖核酸）池，從而導致DNA損傷。MTH1通常在癌症細胞中過表達，MTH1酶能通過選擇性清除NTP池中的氧化核苷酸，從而減輕這一問題。有研究表明，正常細胞並不需要MTH1，但是癌細胞中由於ROS水平高，因此必需MTH1蛋白，如果抑制這種蛋白，就會導致氧化核苷酸滲入DNA，造成DNA損傷和細胞死亡。因此MTH1與高水平的ROS之間就存在合成致死相互作用。TH287、H588（MTH1抑制劑）通過抑制MTH1所產生的毒性作用，可以被大腸桿菌mutT（一種MTH1的同源物，不會被TH287和TH588抑制）所解除。儘管MTH1在多種腫瘤中過表達，但是目前MTH1抑制劑的研究還處於動物試驗階段。

3）ATM/ATR

ATM（共濟失調-毛細血管擴張突變基因）和ATR（共濟失調-毛細血管擴張和Rad3相關基因）屬於磷脂醯肌醇3激酶相關激酶家族。ATM是DNA雙鏈斷裂修復中的關鍵激酶，而ATR作用於損傷的單鏈DNA結構。激活的ATM和ATR迅速將信號下傳給下游信號傳導分子，啟動DNA修復和短暫的細胞周期阻滯。儘管ATM和ATR對不同種類的DNA損傷產生作用，但他們的下游信號分子和生物學效應也存在重疊。ATM和ATR抑制劑通常被用來作為化療和放療增敏劑，但是近期研究發現這些抑制劑可以通過合成致死的理論，單獨作用於特定腫瘤。例如，Jones、Guichard及其同事發現ATR抑制劑AZD6738在ATM缺陷的異種移植瘤模型中可以產生致死性作用，但是對ATM充足的異種移植瘤模型不存在致死性作用。 更重要的是，p53缺陷會加劇ATM和ATR之間的合成致死相互作用。同樣的，PARP抑制劑對體內外的ATM缺陷腫瘤細胞顯示抑制活性，這種抑制作用可以通過抑制p53所增強。Kennedy及其同事發現ATM與范可尼貧血（Fanconi Anemia）信號通路之間存在合成致死關係。除此之外，ATM也顯示出與APE1、XRCC1的合成致死關係。而ATR的合成致死相關分子包括XRCC1、ERCC1、和MRE11。總的來說，在DDR通路缺陷的腫瘤中，ATM和ATR成為單葯作用靶點的潛力巨大，儘管目前只有一個ATR抑制劑（AZD6738）推進到臨床Ⅱ期研究。

合成致死面臨的挑戰

儘管通過RNAi庫和化合物庫篩選出許多合成致死相互作用，但是合成致死相關的藥物研發進入臨床研究階段的少之又少，將合成致死概念應用於藥物研發取得成功的藥物目前僅限於PARP抑制劑。合成致死理論與臨床癌症治療之間還存在距離。將合成致死應用於臨床癌症治療的挑戰主要在於合成致死篩選技術的提升、遺傳環境因素的影響以及在合成致死抗腫瘤療法之後產生的耐藥性。PARP抑制劑在合成致死相關藥物研發中，邁出了重要的一步。未來需要花費更多的精力來篩選合成致死相關基因，研發更多合適的藥物，改善癌症藥物治療給患者帶來的不良反應。

參考文獻：

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