PARP抑制剂耐药机制以及解决耐药性方法

【重磅录像】颜宁:“AI在结构生物学中的未达之地”

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PARP抑制剂耐药机制以及解决耐药性方法

DNA双链断裂(DSB)修复途径

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合成致死性是诱导细胞死亡的生物过程,其基于同时抑制在细胞存活所需的过程中的两种途径并行作用,仅抑制一种途径会导致细胞存活。合成致死策略已在抗癌治疗中得到广泛应用。由于一种途径可能由于转化相关变化而在癌细胞中失活,因此靶向另一种途径触发细胞死亡,同时保留健康细胞1

癌细胞的关键特征之一是由DNA损伤的积累,包括DNA双链断裂(DSB),这是细胞中最致命的DNA损伤之一。然而,癌细胞能够通过调节其DNA修复途径存活和增殖,这可能与正常细胞中的DNA修复途径不同1

DSB可以通过两种主要机制进行修复:BRCA1/2介导的同源重组(HR)和典型 DNA-PKcs介导的非同源末端连接(c-NHEJ)(图1)1。HR被认为是一种准确的DSB修复途径,因为它依赖于细胞周期S/G2期细胞的姐妹染色单体作为DNA合成和DSB修复的模板。因此,HR能够修复DSB,主要在增殖细胞中1

HR修复途径由两个经典的肿瘤抑制基因BRCA1和BRCA2编码的蛋白质进行全面调节,然后募集RAD51及其旁系同源物(包括RAD51B,RAD51C,RAD51D,XRCC2和XRCC3)和RAD54以识别同源DNA模板并进行链侵袭以修复DSBs。另一方面,NHEJ是一种容易出错的DSB修复机制。NHEJ可以是分为c-NHEJ和a-NHEJ(也称为MMEJ或TMEJ)两种途径1

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图1. DNA双链断裂(DSB)修复途径包括同源重组(HR),规范非同源末端连接(c-NHEJ)和替代非同源末端连接(a-NHEJ)/微同源介导的末端连接(MMEJ)/DNA聚合酶θ(Polθ)介导的末端连接(TMEJ)

 

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PARPi在造血恶性肿瘤中的治疗潜力

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最近的很多研究表明,即使在白血病中很少检测到BRCA1/2突变,PARP抑制剂(PARPi)诱导的合成致死性也可以有效地在 BRCA1/2 缺陷造血恶性细胞中起作用。

此外,诱导造血恶性肿瘤的遗传改变,例如驱动骨髓和淋巴恶性肿瘤的癌基因,包括 AML1-ETO(也称为 RUNX1-RUNX1T1)、BCR-ABL1、PML-RARa、TCF3-HLF、IDH1/2mut和IGH-MYC以及肿瘤抑制基因(例如TET2、WT1)的功能缺失突变可导致HR和/或c-NHEJ活性失调,从而使细胞容易受到PARPi引发的合成致死效应的影响(图2和图3)1

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图2. PARP抑制剂在造血恶性肿瘤和其他显示癌基因/突变(A)和酪氨酸激酶抑制剂(B)诱导的HR/c-NHEJ缺乏症的肿瘤中的应用

此外,Bac等人描述了那些恶性造血细胞表达致癌酪氨酸激酶 (OTK)(例如 BCR-ABL1、FLT3(ITD)、JAK2(V617F))由于ROS产量增加自发积累高水平的氧化DNA损伤和DSB 1

然而,OTK阳性细胞能够逃逸来自 DSB 的细胞毒性作用,这是由于增强/调节的 DSB 修复。FDA批准的特异性酪氨酸激酶抑制剂(TKi)(JAK1/2抑制剂鲁索利替尼,FLT3抑制剂奎扎替尼,ABL1抑制剂伊马替尼)对这些OTK的抑制导致急性HR / c-NHEJ缺乏症(由于BRCA1,BRCA2,RAD51和/或LIG4的下调)和对PARPi的敏感性(图2-4)。因此,TKi和PARPi的联合使用能够根除增殖和静止的恶性造血干细胞和祖细胞1

PARP抑制剂耐药机制以及解决耐药性方法图3. 诱发HR / c-NHEJ缺乏症的癌基因/突变

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图4. 诱导HR/c-NHEJ缺乏的治疗药物

 

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对PARPi的获得性耐药机制

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尽管 PARPi 在 DSB 修复缺陷的癌细胞中具有很强的效力,但在BRCA1/2 缺陷和 HRD 中已经报道了对 PARPi 诱导的合成致死性的抵抗力肿瘤细胞(图5)。

PARPi的耐药性的主要原因是BRCA1/2突变癌细胞HR修复活性的恢复2。详细地说,BRCA1/2中的继发突变与原始突变导致的链终止子/移码的废除有关,导致全长 BRCA1/2 开放阅读框的恢复。因此,活性BRCA1/BRCA2蛋白表达被恢复,从而重新启动功能齐全的HR途径3,4。除了BRCA1/2中其他突变介导的耐药性外,还提出了BRCA1启动子甲基化的减少/丧失,从而恢复了BRCA1的表达而导致对PARPi的耐药性5

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图5. 对PARPi的获得性耐药机制

BRCA1-BRCA2-RAD51轴对于同源重组修复(HRR)至关重要。EMI1调节三阴性乳腺癌(TNBC)细胞中的 PARPi 敏感性。EMI1的F盒结构域组装一个SCF泛素连接酶复合物,该复合物靶向RAD51进行降解。在一部分对PARPi难治的BRCA1缺陷三阴性乳腺癌细胞中,EMI1表达的降低会损害EMI依赖性RAD51的降解,从而恢复HR修复活性导致对PARPi的耐药性(图6)6

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图6. KEAP1的增加导致EMI1表达的降低导致对PARPi的耐药机制

EMSY是I型干扰素反应的负调节因子,也抵消了HR修复途径,KEAP1靶向EMSY进行泛素介导的降解。因此,KEAP1的过表达破坏了EMSY的稳定性,导致HR恢复和对PARPi的抵抗。相反,由于基因突变引起的KEAP1失活导致EMSY的稳定和HR缺乏而使得非小细胞肺癌对PARPi变得敏感(图7)7

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图7. EMI1表达的降低导致EMSY的减少,从而对PARPi的耐药机制

PARP1的下调或者突变都可能导致BRCA1/2缺陷肿瘤细胞中的PARPi耐药性(图5)。通过53BP1-RIF1的复合物,53BP1介导的DSB末端切除术抑制导致c-NHEJ活性增强,减少对PARP1依赖性a-NHEJ的依赖性,从而引起PARPi耐药性8.
因此,53BP1在BRCA1-null小鼠胚胎干细胞中的抑制促进DSB末端切除以限制c-NHEJ,从而使细胞对PARPi致敏。在BRCA1突变的乳腺癌细胞中,由于HR修复活性的部分恢复,53BP1的体细胞丢失导致奥拉帕尼耐药,从而降低BRCA1缺陷小鼠乳腺肿瘤对该抑制剂的反应(图5)。
53BP1定位于DSB的阻断也有助于BRCA1缺陷肿瘤中PARPi的失活,这是由TIRR表达增加介导的9。SHLD1/2/3复合物的失活以及DSB末端切除术中其他蛋白(包括RIF1和REV7)的表达降低,恢复了HR的功能活性,降低了PARPi的疗效(图8)10
以相同的机制方式,TRIP13是SHLD1 /2 /3复合物的负调节因子,通过解离REV7-SHLD1/2/3去促进HR。因此,TRIP13的扩增诱导BRCA1/2突变癌症对PARPi的耐药11

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图8. SHLD1/2的敲除在BRCA1敲除细胞中导致对PARPi的耐药机制

除了在HR通路中起作用外,据报道,BRCA1和BRCA2在维持复制分叉的完整性方面发挥作用12。在BRCA1和BRCA2缺陷细胞中对PARPi获得性耐药可能是由于EZH2缺失导致MRE1和MUS81核酸酶表达降低,导致对复制叉的保护性反应(图9)12,13

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图9. MRE1、MUS81和EZH2的下调导致对PARPi的耐药机制

除了基于恢复HR或复制叉保护的获得性PARPi抗性机制之外,最近的一项研究报告称,通过恢复Okazaki片段处理(OFP)减少/丢失DNA复制间隙可以诱导抗性。基本上,据报道,复制间隙是BRCA1/2缺陷细胞中PARPi反应的主要决定因素。一般来说,BRCA1/2的缺乏会扩大复制间隙,导致细胞的PARPi敏感性1
然而,在同时敲除BRCA1和53BP1的细胞模型中,通过恢复XRCC1-LIG3恢复OFP,导致减少/耗尽复制差距,并最终对PARPi产生抵抗力。相反,双倍敲除53BP1和LIG3使BRCA1突变细胞对PARPi重新敏感(图10)14

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图10. XRCC1-LIG3的增加恢复OFP对PARPi产生耐药性

 

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预先存在的 PARPi 耐药性机制

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HR和/或c-NHEJ缺陷的血液系统恶性肿瘤在模拟外周血微环境(PBM) 的条件下对PARPi介导的合成致死性敏感,在模拟骨髓微环境(BMM)的条件对 PARPi 产生抗性。
Bac等人表明转化生长因子β1(TGF-1)由骨髓基质细胞产生的激活缺氧诱导的TGF-受体(TGF R)激酶-SMAD2/3在白血病细胞中的规范途径以促进DSB的修复(图11)1
TGFβR激酶抑制剂没有改变白血病细胞对PBM中PARPi的敏感性,表明DSB修复活动中TGFβR-SMAD3信号传导的调节在BMM中是排他性的。在机制上,TGFβR激酶信号通过BRCA1/2、ATM,DNA-PKcs和LIG4的上调刺激BMM中白血病细胞中DSB的修复。这一发现表明TGFβR激酶抑制剂在PARPi介导的造血恶性肿瘤干预中的潜在临床应用。
事实上,TGFβR激酶的抑制剂galunisertib已经在临床上几种癌症的试验得到应用 15,16,恢复了BMM中白血病细胞的PARPi敏感性。因此,Bac等人假设在PARPi治疗中加入galunisertib应该改善治疗效果1

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图11. 通过在缺氧骨髓微环境中激活TGF-β1—TGFβR—SMAD2/3信号传导,恢复HR/c-NHEJ缺陷白血病中的HR/c-NHEJ的PARP抑制剂耐药的预先存在机制

除此之外,还有一些其它预先存在的对PARPi的耐药机制,比如DNMT3A的突变导致功能丧失,FLT3激酶与ITD融合突变导致FLT3激酶激活,JAK2的V617K突变导致JAK2激酶的激活,c-KIT的N822K突变导致c-KIT激酶的激活,EGFR的激活和IGF-1R的激酶等都可能导致预先存在的PARPi抑制剂的耐药(图12)1

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图12. 预先存在的 PARPi 耐药性机制

 

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小结

PARP抑制剂耐药机制以及解决耐药性方法

鉴于负责PARPi耐药性的机制途径列表不断增加,必须实现对预先存在和获得的PARPi耐药的药理学抑制,以提高PARPi介导的合成的治疗效率杀伤力。
例如,白血病细胞中预先存在的PARPi耐药性可以通过联合PARP和TGFβR激酶抑制剂(使BMM中的白血病细胞再敏化)、PARP和TET2双加氧酶抑制剂(使携带DNMT3A突变的白血病重新致敏)以及PARP和OTK抑制剂(FLT3(ITD)、JAK2(V617F)、c-KIT(N822K)、EGFR、IGF-1R)解决。
获得性 PARPi 抗性可通过以下方式预防,如更具侵略性的“双重合成致死”方法(同时靶向PARP1和RAD52),可在更短的时间内消除更多的肿瘤细胞,从而减少抗性克隆出现的时间依赖性的机会。此外,如果 PARPi出现耐药性,这些克隆可以通过抑制另一种DNA修复机制来消除,例如Pol介导的TMEJ 17

参考文献:

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本篇文章来源于微信公众号: 药时代

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