Nat Rev | 靶向癌症中的DNA损伤反应途径
原创 夏天 图灵基因 2022-12-16 16:13 发表于江苏
收录于合集#前沿分子生物学机制
撰文：夏天
IF=69.800
推荐度：⭐⭐⭐⭐⭐
亮点：
1、本文详细总结目前正在临床评估的小分子抑制剂的种类及其作用机制、耐药机制以及后续研究重点和方向。
2、提出PARP抑制剂对HR缺陷肿瘤的成功基础，及其他合成致死相互作用在临床应用中的优越性和局限性。
近日由英国牛津大学肿瘤系的Groelly, F.J.教授在《nature reviews cancer》杂志上发表了名为“Targeting DNA damage response pathways in cancer”的回顾文章。在这篇综述中，作者描述了主要的DNA损伤检查点和修复途径，并介绍和总结了目前正在临床评估的小分子抑制剂及其机制。此外，作者还强调了DDR抑制剂出现耐药性的机制，以及如何通过靶向这些耐药性肿瘤背后的分子途径来克服耐药的发生。
DNA是一种相对稳定的有机分子，但仍然会受到来自各种内外源性损伤的不断攻击。因此，细胞进化出了一个复杂的生化途径系统来处理这种威胁，统称为“DNA损伤反应”（DDR），以防止有害的突变被继续传递。
在涉及DNA代谢反应（复制和修复）的过程中，DDR协调DNA修复与细胞周期检查点激活及其他整体细胞反应。编码DDR的基因在癌症中经常发生突变，导致基因组不稳定，这是许多肿瘤的内在特征，也是其生长、转移和衡量DNA损伤治疗（如放疗）反应能力的基础。在早期的研究中就发现，靶向DDR治疗可能是抑制肿瘤细胞生长的一种可行策略，而这种治疗方法面临的最主要的挑战来自于如何只针对肿瘤中的DDR，而不影响正常组织。
目前研究者在识别促进肿瘤生长的特定基因改变，同时使肿瘤在这种特定遗传背景下接受选择性毒性的DDR靶向治疗方面已经取得了实质性进展。肿瘤中BRCA1/BRCA2突变与PARP抑制剂之间的合成致死作用的良好特征范式说明了这一概念。应用同样的原理，多项研究已经确定了在癌症中突变的其他DDR基因之间的合成致死作用，从而为对抗携带这些突变的肿瘤提供了潜在的药物靶点。
DNA损伤反应（DDR）
DNA损伤激活了一个由检查点激酶介导的信号级联反应
DDR始于识别病变和参与 DNA修复途径。根据基因毒性应激的类型和复杂性，细胞信号级联可能会被启动，从而改变周围的染色质，激活细胞周期检查点，并通过改变转录或翻译来改变基因表达。如果病变不能迅速修复，持续的DDR信号也可以改变细胞的命运，如促进分化、衰老或程序性细胞死亡。因此，DDR保持了基因组的稳定性。
细胞周期依赖性的DDR激活：在G1期间，ATM促进RNF168的激活，该组蛋白泛素化组蛋白H2A。这种修饰加上组蛋白H4 Lys20二甲基化标记导致53BP1的招募和ATM介导的53BP1磷酸化，促进53BP1与RIF1以及REV7和其他屏蔽素复合物（SHLD）成员的相互作用。ATM激酶的活性也控制p53的稳定性，从而在DNA损伤时触发G1阻滞。在S期，BRCA1-BARD1复合物被招募到DSB中，通过识别未甲基化的H4 Lys20和H2A Lys15泛素化来抵消53BP1，从而促进DNA末端切除，并将RAD51加载到切除的DNA末端。在有丝分裂中，ATM依赖的H2AX磷酸化招募了DNA损伤检查点蛋白1（MDC1）的中介物，MDC1通过其酪蛋白激酶2（CK2）介导的磷酸化与TOPBP1和PP2A细胞抑制剂（CIP2A）结合。TOPBP1和CIP2A形成丝状结构，将两个DSB末端连接在一起（未显示）。
多种DNA修复途径处理不同的DNA损伤类型
DNA修复通路主要包括核苷酸切除修复、碱基切除修复、错配修复、同源重组以及非同源末端链接等。在人类细胞中有两种主要的DSB修复途径，第一个是非同源端连接（NHEJ）途径，它修复了绝大多数的双端DSB。同源重组（HR）通路使用同源DNA分子（通常是姐妹染色单体）作为 修复的模板。当核酸酶消化DSB位点的双链DNA末端产生ssDNA悬垂时，HR就启动，这个过程被称为“DNA末端切除”。相比之下，如果DNA复制叉在S期分解形成单端DSB，NHEJ需要通过重新连接不同染色体上的DNA末端来产生染色体重排而导致错误，因此，NHEJ就会被HR所抑制。
DSB修复的主要路径和备份路径：DNA双链断裂（DSB）修复途径的选择取决于细胞周期阶段和DNA末端切除的程度。大多数DSB是通过非同源端连接（NHEJ）修复的，由Ku70-Ku80异源二聚体与DNA末端结合而启动。同源重组（HR）需要同源基因的协同作用，BRCA1、PALB2和BRCA2将RAD51加载到单链DNA上，取代RPA。RAD51核蛋白丝促进侵入姐妹染色单体（粉红色），作为DNA合成的模板。
临床靶向DDR激酶治疗
ATM抑制剂
ATM是调节DSB修复的顶端DDR激酶。在机制上，PARP和拓扑异构酶1抑制剂导致单端DSB，这需要HR来进行准确的修复。ATM信号的缺失延迟了末端切除，并通过NHEJ修复单端DSB，从而导致异常的染色体融合，进一步导致肿瘤细胞的死亡。同样值得注意的是，生殖系杂合子ATM突变易导致血液系统恶性肿瘤和其他癌症类型。由于长期暴露于ATM抑制剂可能导致多种组织中的新生肿瘤形成。因此，应该仔细考虑，确保ATM抑制的治疗益处超过治疗风险。
DNA-PKcs抑制剂
DNA-PKcs是DNA-PK的催化亚基，在整个细胞周期中，对NHEJ修复DSB的过程至关重要。而缺乏DNA PKcs的细胞对DSB诱导剂很敏感，用DNA-PKcs抑制剂治疗重现了这种效果。DNA-PKcs抑制联合放射治疗被证实是一种很有吸引力的抗癌策略。ATM和DNA-PKcs伴随缺失是合成致命的，因此，DNA-PKcs抑制剂也可能对存在ATM突变的肿瘤有效。
ATR抑制剂
在细胞S期，激酶ATR通过调节起始点火和分叉进程来确保及时和准确的DNA复制。ATR抑制剂增加复制叉停滞，促进染色体断裂，导致细胞毒性。由编码细胞周期蛋白的致癌基因E1的过表达引起复制应激的癌细胞对ATR抑制剂特别敏感。ATR抑制剂最有前途的临床应用之一是治疗PARP抑制剂耐药肿瘤的潜力。BRCA1突变的癌细胞可以通过在DSB上装载BRCA1独立的RAD51来克服PARP抑制剂的毒性，导致耐药的发生。在体外，ATR抑制剂阻断这种BRCA1独立的功能，使肿瘤细胞对PARP抑制重新恢复敏感。
CHK1抑制剂
作为ATR的下游靶点，激酶CHK1也同样被DNA复制缺陷激活。CHK1抑制剂选择性地杀死具有高水平复制应激的癌细胞。CHK1抑制剂被证明可以增强DNA损伤药物如吉西他滨、顺铂在p53缺失癌细胞中的细胞毒作用。与ATR抑制剂类似，CHK1抑制剂加剧了PARP抑制引起的DNA损伤。此外，CHK1抑制剂prexasertib激活I型干扰素信号，并与抗pd-1免疫治疗联合，在小细胞肺癌小鼠模型中产生了协同抗肿瘤反应。
WEE1和PKMYT1抑制剂
酪氨酸激酶WEE1负责CDK1的抑制性磷酸化，从而阻止细胞进入有丝分裂。S期CDK1的激活也会导致复制叉停止以及DNA损伤的毒性积累。最近，在CRISPR-Cas9筛选中发现了WEE1样激酶PKMYT1。在过表达细胞周期蛋白E的癌细胞中，使用RP-6306或PKMYT1抑制剂可触发计划外的CDK1激活，该抑制剂单独或与吉西他滨联合使用在异种移植物或PDX模型中显示出强大的体内抗肿瘤活性。
新兴的疗法和新的靶点选择
POLQ抑制剂针对HR缺乏的肿瘤
POLQ在替代端连接途径中通过内部微同源物修复切除的DNA末端。POLQ包含一个类似解旋酶的ATP酶结构域，需要从切除的ssDNA末端取代RPA，并解开同源序列。在它们的对齐和退火后，POLQ的聚合酶活性填补了空白。POLQ抑制剂在体外的一系列不同的肿瘤细胞系中表现出放射增敏作用，这反映了其在DNA修复中的关键作用。POLQ与DNA修复基因，包括BRCA1、BRCA2和ATM的合成致死相互作用，表明POLQ是一个有前途的肿瘤的有前途的靶点。
USP1抑制剂针对BRCA1/2缺失的癌症
PCNA泛素化是通过转录、合成、复制后DNA修复所必需的修饰。而去泛素化酶USP1是通过逆转增殖细胞核抗原（PCNA）泛素化来实现转录、合成的负调控因子。USP1失活时单倍化PCNA的持续存在使复制叉不稳定，从而依赖于BRCA1。因此，在癌细胞中，USP1失活与BRCA1缺失是合成致死作用。在三阴性乳腺癌的PDX模型中，无论BRCA1/2状态如何，它与PARP抑制剂的联合使用都导致了抗肿瘤反应的延长。
RAD51抑制剂
RAD51是HR通路修复DSB的中心酶，对细胞存活至关重要。RAD51在切除的DSB上形成的ssDNA上组装核蛋白丝，从而催化链入侵到同源DNA模板中，以启动HR修复。BRCA2是RAD51在DSB位点上的装载器，RAD51的去除与PARP抑制形成合成致死作用。
靶向于微卫星不稳定性癌症中的解旋酶WRN
微卫星不稳定性（MSI）是MMR缺陷（例如MLH1、MSH2、MSH3或MSH6基因突变）癌症的常见标志，常见于胃癌、子宫癌和结直肠癌。解旋酶WRN是MSI细胞中的一个合成致死靶点 ，特别是在遗传性非息肉病性结肠癌中。然而，MMR基因失活不足以解释观察到的合成-致死相互作用。相反，长期的MMR缺陷会导致大的TA二核苷酸重复序列的积累，形成非B-DNA二级结构。在没有WRN的情况下，SLX4-MUS81内切酶复合物切割非B-DNA二级结构，并导致染色体碎裂和细胞凋亡。因此，抑制WRN解旋酶活性可能是一种治疗MSI阳性癌症的有效治疗方法。
作者总结道：多种靶向DDR通路的新化合物最近已经被开发出来，然而重要的是，要认识到这种经验性的方法可能不适用于复杂的疾病，如癌症。因此，必须将研究工作集中在发现药物开发的新靶点上，以及通过优越的组合或确定可最大限度地减少副作用及提高临床疗效的有效药物组合来优化现有的药物。
教授介绍
Florian J. Groelly教授，现就职于英国牛津大学肿瘤系肿瘤学放射肿瘤研究所，基因组稳定性和肿瘤发生组。致力于研究基因工程在肿瘤领域的应用。在分子靶向等方面做出了突出成绩。
参考文献
Groelly, F.J., Fawkes, M., Dagg, R.A.et al.Targeting DNA damage response pathways in cancer.Nat Rev Cancer(2022). https://doi.org/10.1038/s41568-022-00535-5