BioSpark煮酒论新药:合成致死赋能肿瘤治疗

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BioSpark煮酒论新药:合成致死赋能肿瘤治疗


作者:Frank Ye, Devin Chen, Ethan Xu

编辑:乐乐

审核:辰公子

BioSpark煮酒论新药:合成致死赋能肿瘤治疗



BioSpark致力于推动生命科学领域的高级人才交流,建立富有合作和互助精神的社群生态环境,实现学术和企业的跨界交流及思想碰撞,从而帮助华人科学家在世界生物医药领域提升领导力、开拓企业家精神及促进科学发现的商业转化。



BioSpark煮酒论新药:合成致死赋能肿瘤治疗
近期BioSpark围绕合成致死赋能肿瘤治疗展开了讨论。


本次活动的嘉宾包括:

  • Tuvik Beker (Pangea Therapeutics首席执行官)

  • Alan Huang (Tango Therapeutics 首席科学家)

  • Eytan Ruppin (Cancer Data Science Laboratory, Center for Cancer Research, National Cancer Institute, NIH的资深研究员)

  • Yulian Zhang (FUSION Bioventures执行董事)


活动主持:

Ning Wang (Arcus Biosciences生物信息科学家)






什么是合成致死(synthetic lethality)?



合成致死(Synthetic Lethality)的现象最早是由美国科学家Calvin Bridge在1922年提出,他发现果蝇在具有某两个特定基因突变的时候无法存活,而当这两个基因单独突变时,并不会导致果蝇死亡。1946年,Theodore Dobzhansky基于果蝇中这一类型的基因相互作用,将“合成致死”的定义确定下来。后来,“合成致死”的概念被进一步挖掘和探究,包括科学家们利用酵母等模式生物做了大量的遗传学筛选实验,发现了很多合成致死作用的基因对(synthetic lethal pairs)。

【更科普一点来说,合成致死可以形象地比喻成:安全驾驶本身没有问题,适度喝酒也没有问题,但既喝酒又驾车则是万万不能的。】

“合成致死”在治疗癌症的应用:在癌症中有许多高发的且特异性的基因突变(A’),而与这些基因能形成合成致死作用的基因B(产物,即它们表达的蛋白)就会是很好的抗癌药靶点。因为在体内,通过靶向这些蛋白使得它们的丧失功能,只会导致癌细胞无法存活;而在正常细胞中,由于不存在A突变,它们将存活下来1

如此一来,基于“合成致死”的抗癌疗法就存在明显的优势:一方面,能更准确地靶向癌细胞,提高治疗窗口(therapeutic window);另一方面,根据病人的癌细胞基因突变情况,更精准地选择适合病人的药物。此外,“合成致死“也为很多无成药性(undruggable)的靶点提供了可靶的选择——靶向与他们有合成致死作用的基因。

2005年,Alan Ashford及其团队第一次证实PARP抑制剂能够特异性杀死具有BRCA1/2突变的癌细胞,通过实验验证了PARP1与BRCA1/2基因存在“合成致死”的相互作用。这一结果证明了“合成致死”可以在癌症中适用。现在,基于“合成致死”的疗法开始在精准治疗中渐渐被大家认识。

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更广义地来说,“合成致死”的概念不仅涵盖两个基因同时因功能异常(如突变)而致使的细胞无法存活,还可以包括两个基因所在的信号通路同时因功能异常而导致的细胞无法存活的情况,这些功能异常又可以包括基因突变、过度表达等(如图1)

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“合成致死”的种类



  • 无条件的“合成致死” (nonconditional synthetic lethality): 这类“合成致死”仅需要两个基因同时功能异常(如图1a),不需要其他外在或内在影响。
  • 有条件的“合成致死” (conditional synthetic lethality): 与无条件的“合成致死”不同,这类基因相互作用仅在特定的条件下发生,例如需要特定的外界刺激(如能造成DNA损伤的辐射等)或一定的内在环境条件(如缺氧环境)(图1b)。




“合成致死”抗癌药的靶点发现



Tango Therapeutics是一家基于“合成致死”概念的创新药生物技术公司,简单说说它的研发路径:基于大量的癌症患者的癌细胞基因序列,先找到癌症中高发的且特异性的突变,然后“反其道而行之”去寻找那些“不存在的基因突变”——这些所谓的“不存在的基因突变”从不和癌症中高发的且特异性的突变同时出现,也就意味着他们很可能存在“合成致死”的相互作用,而这些“不存在的基因”则是他们寻找的药物靶点。找到了药物靶点,后续药物研发基本上大致类似。





在“合成致死”领域的相关药物和市场交易



(感谢Yulian Zhang的总结和研究)

已获批的PARP抑制剂
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在研的“合成致死”管线
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“合成致死”相关的商业交易
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基于“合成致死”概念的生物技术公司:除了前面提到的Tango Therapeutics, 还有Repare Therapeutics, Ideaya Biosciences, Prelude, Cyteir Therapeutics, Artios Pharma, 以及国内的英派药业。

Biospark 的互动讨论

目前基于“合成致死”概念的生物公司的策略有哪些?

Tuvik利用生物信息学的手段,通过研究保守的合成致死作用的基因对,充分分析临床前和临床数据,同时也观察到基因拷贝数变异和参考RNA测序的结果,共同驱动新药的发现过程。

Alan:现在合成致死”的生物技术公司主要靶点,还是围绕DNA损伤应答(DNA Damage Response)相关通路的基因。需要提醒的是,在DNA损伤应答相关通路之外,还有很多抑癌基因也值得去探索。

此外,合成致死”领域也面临不少的挑战和机遇。例如,在癌症细胞内存在异质性(heterogeneity) —— 不同的癌细胞存在着不同的基因突变,那么整体来看的很多时候,就很难确定是哪两个基因之间形成了直接的“合成致死”作用,所以亟需同质性(homogeneity)高且成熟的合成致死基因对的筛选和验证体系。目前由于对癌症和免疫系统相互作用的了解愈来愈深,大家也逐渐开始关注癌症中的特异性突变和免疫相关的一些基因的相互作用3。Tango也在试图探究这一方向。

在确认了药物靶点之后,生物公司如何在药物(如靶点抑制剂)的研发方面具备竞争力呢?

Tuvik:在靶点确认了之后,PANGEA会进一步分析临床或真实世界研究中患者的癌细胞基因数据以及生物标志物,来为靶点的准确性增加筹码。

Alan:我们并不想在化学方面做太多的花样,还是用传统的药物发现的方法,目前比较少去考虑像靶向蛋白蛋白之间相互作用的药物、RNA干扰药物。许多靶点去做靶向药其实没有那么困难,而且还有不少前人的经验可以借鉴。

Eytan:在某些恶性黑色素瘤患者中,我们通过研究患者的癌细胞的转录组,发现有一些基因的表达被上调,而同时我们也找到了与这些基因激活相对应具有合成致死作用的基因。通过靶向这些基因,我们想尝试看看能否改善恶性黑色素瘤患者的情况4。我认为,合成致死提供了靶向“不可成药”的蛋白机会,尤其是那些驱动肿瘤发生的那些基因(的产物)。

大家怎么看待用转录组学(transcriptomics)来指导用药呢?比如FDA是否会同意,基于转录组的测序结果来提供适合患者的合成致死疗法吗,或者基于生物标志物的相关打分?还是会更倾向基于一组基因的表达情况?

Tuvik:我认为当有一个很好的确定的“合成致死”的靶点,就可以将需要筛查的基因范围缩小了,转录组的测序或许不是必须的。

Eytan:我倒是不这么认为,我觉得全转录组的测序会逐渐成为趋势。举个例子,在一些患者中既有EGFR突变,或BRAF突变(甚至其他的基因突变),那么详细去看这些突变基因对应的“合成致死”的基因的表达量就尤其重要,这可以更好的预测患者对药物的效果。当测序的成本进一步下降,转录组的信息能更好地指导我们用药。

在癌细胞中,很多时候是多基因异常、甚至染色体单臂缺失。“合成致死”的疗法是否考虑过这些情况?

多基因异常、染色体单臂缺失可以看做是更“高阶”的合成致死情形,即不只是两个基因(通路)的相互作用,而是多个基因的相互作用。因此,通过CRISPR的技术可以同时敲除多个基因的方式来探究高阶的“合成致死”。

CRISPR等基因编辑技术如何赋能“合成致死”的疗法?

基于CRISPR技术遗传学筛选试验已经在各种细胞系广泛应用,在不同癌细胞系中或存在不同的合成致死基因对。不仅如此,CRISPR可以通过同时敲除多个基因的方式,来研究更高阶的“合成致死”。

和PARP抑制剂相关的:

  • 如何更好地选择适合使用PARP抑制剂的患者?

不得不承认,有时候基于单基因(或较少的几个基因)情况的选择会不全面,也会存在部分患者存在药物不起作用的情况。现在有研究表明,BRCAness更全面地反映患者是否能从PARP抑制剂中获益,BRCAness的检测包括更多的基因,多是和细胞应对DNA双链断裂(double-stranded breaks)时同源重组修复(homologous recombination-directed repair)相关的基因。通过检测患者的BRCAness,或许能增加获益的患者人群。

  • 如何应对PARP抑制剂耐药呢?

目前科学家们也在进一步寻找其他的”合成致死”疗法的新靶点,例如针对引起PARP抑制剂耐药基因突变;另外,也有临床试验在探究PARP抑制剂和免疫肿瘤疗法联用的效果。

其他在精准治疗中需要注意的:

  • “合成解救”(synthetic rescue):这是一个与“合成致死”相对的一个概念。可以理解为在单基因异常的情况下,细胞是亚健康或不健康的,但在同时有另一个基因异常的情况下,细胞的亚健康情况得到了改善。在癌细胞中,则要注意是否有“合成解救”的基因对存在,它们也许会使得癌细胞变得更加顽强,出现靶向药耐药的情况。


  • 免疫反应 (immune response):要更多地考虑到,免疫系统对基于“合成致死”的靶向药的应答和作用。

  • 患者的转录组 (transcriptomics):转录组层面的信息或许能更好的反应基因异常(包括突变,过度表达等)的实际影响。

DNA损伤应答(DNA Damage Response)相关通路的基因在“合成致死”治疗中应用广泛,但还没有看到其他像PARP抑制剂这么成功的例子,像POLQ,WRN等基因也在研多年,但没有看到好的相关蛋白抑制剂上市?这是为什么呢?

  • POLQ的蛋白确是一个比较难靶向的药物,但WRN或许相对容易。除了POLQ, WRN意外。我们发现,像在研的WEE1抑制剂和ATR抑制剂,存在较小的治疗窗口,所以在病人的选择上可能需要谨慎。但是,如果能II期临床将是很多这类DNA损伤应答靶向药能否成功重要的转折点。

  • 主要目前问题还存在于靶点的有效性上,比如这个靶点是否可靠,是否是一个好的靶点。基于这些问题,优化CRISPR的基因编辑技术、选择更好的筛选和验证体系、加上转录组学的分析或许都能提升靶点的有效性;另外除了细胞试验的验证,体内动物实验的验证也至关重要。

“合成致死“疗法的展望:

  • “合成致死“的漫漫长征之路还在继续,随着对生物学了解的愈发深入,我们也将更好地应用该疗法到疾病治疗当中。

  • 未来和肿瘤免疫疗法的联用或成为趋势。

参考文献:

1. O’Neil, N. J., Bailey, M. L. & Hieter, P. Synthetic lethality and cancer. Nat. Rev. Genet. 18, 613–623 (2017).

2. Li, S. et al. Development of synthetic lethality in cancer: molecular and cellular classification. Signal Transduct. Target. Ther. 5, (2020).

3. Huang, A., Garraway, L. A., Ashworth, A. & Weber, B. Synthetic lethality as an engine for cancer drug target discovery. Nat. Rev. Drug Discov. 19, 23–38 (2020).

4. Lee, J. S. et al. Synthetic lethality-mediated precision oncology via the tumor transcriptome. Cell 184, 2487-2502.e13 (2021).

5.   Chang, L, Ruiz, P, Ito, T, Sellers W.R. Targeting pan-essential genes in

cancer: challenges and opportunities. Cancer Cell 39, 466-479 (2021)


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