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DNA修复系统的缺失为对抗诸多癌症平添一处独特的契机

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    Adam Bass博士(Adam Bass, MD)

  • 2019年4月10日——美国马萨诸塞州波士顿讯

    癌细胞通过调整一个或其它多个基因活动而使自身对可能具有致命性的突变和其它分子故障呈现适应性,在此过程中,癌细胞变得越来越依赖这些基因,以帮助自己存活和生长。癌细胞因此产生的基因依赖性或为医生开发新型精准药物或其它癌症治疗策略提供靶点。

    丹娜—法伯癌症研究所(Dana-Farber Cancer Institute)及麻省理工学院和哈佛大学旗下博德研究所(Broad Institute of MIT and Harvard)强强联手,成立了癌症依赖性图谱项目研究团队(the Cancer Dependency Map (DepMap) project)。他们在多个类型的癌细胞系里发现了上述弱点,包括:结肠癌、胃癌、子宫内膜癌以及卵巢癌的细胞系(colon, gastric, endometrial, and ovarian cancer cell lines)。该研究被发表在《自然》期刊(Nature)上,其中,具有弱点的基因名为WRN;因此,它也成为新药开发的一个靶点。

    WRN基因具有依赖性的细胞系均含有一种名为微卫星不稳定性(MSI)的遗传学特征。这种由具有易感性到产生猖獗突变的现象仅在癌细胞里有所呈现,其产生的原因是其中一个细胞修复损坏DNA的方式出现故障(暨一种名为错配修复的机制,mismatch repair)。每年,因错配修复且含有微卫星不稳定性标记而确诊癌症的比例如下:结肠癌-15%、胃癌-22%、子宫内膜癌-20%-30%,以及12%的卵巢癌病例。

    “我们希望这项研究可以激发学界开发针对微卫星不稳定性肿瘤的WRN抑制剂的兴趣。” 该研究的联合资深作者兼DepMap副主任Francisca Vanquez博士说道。此外,该研究的联合第一作者还有与Vanquez博士一样来自博德研究所的Edmond Chan(供职于博德研究所癌症科),以及来自丹娜—法伯癌症研究所及博德研究所的Tusukasa Shibue。来自丹娜—法伯的胃肠道肿瘤内科专家Adam Bass博士带领了此项研究。Bass博士亦是博德研究所的副研究员。

    追踪不稳定性

    医生可用检查点抑制剂(checkpoint inhibitors)治疗约一半的微卫星不稳定性癌症(检查点抑制剂是帮助免疫系统攻击肿瘤细胞的疗法)。为了找到治疗余下的癌症疗法,研究团队提出设想:若细胞因缺少错配修复活动而导致微卫星不稳定性,这种现象或否可在肿瘤细胞内驱动独特的基因依赖性。

    “尽管学界对微卫星不稳定性癌症的免疫疗法抱有极大的热忱,且研究的方向亦是正确的;然而,这些药物尚未解决问题。” Bass博士说道, “目前,我们急需对两类患者开发新药:一类是未能对免疫疗法有反应的患者,另一类是对药品产生耐药性或因毒副作用而停药的患者。”

    研究团队从两个基因组范围内的依赖性数据集入手:1)癌症依赖性图谱项目(DepMap)里的一组CRISPR-Cas9基因剔除数据集(CRISPR-Cas9 gene knockout dataset);2)DRIVE项目里的一组RNA干扰基因沉积数据集(an RNA interference (RNAi) gene silencing set)(Project DRIVE是诺华生物医药研究所带领的一个项目)。在两组数据集中,研究团对癌细胞系里的数千个基因队逐个进行损坏或沉寂工作,并对它们之于细胞存活的效应进行测量。

    在癌症依赖性图谱项目(DepMap)数据集的517个癌细胞系以及DRIVE项目中的383个同等数据中,研究团队将51个癌细胞系划分为微卫星不稳定性,且它们在很大规模上代表了上述4种具有微卫星不稳定性倾向的肿瘤类型。在这51个癌细胞系的CRISPR和RNAi筛选中,研究团队发现73%的微卫星不稳定性细胞系都依赖于WRN基因。相反的,WRN基因的缺失对非微卫星稳定性癌细胞系的影响相对较小。

    Bass 博士指出: “这项研究是将新兴技术与我们对癌症细胞进程的基础理解结合的范例,故我们可以系统地钝化癌症模型的基因,从而找到令人振奋的治愈设想。”

    研究团队在细胞系研究的基础上又发现:在小鼠模型中,他们亦可以通过使WRN基因表达沉默而急剧减缓微卫星不稳定性癌症的生长。此外,他们从一位微卫星不稳定性结肠癌患者处取得癌细胞样本,并在此基础上制作了类器官模型(organoid model)。在该模型中,研究人员也确认了癌细胞对WRN基因的依赖性。

    在一份同样发表于《自然》期刊上的补充性论文中,来自英国韦尔科姆基金会桑格研究所(Wellcome Sanger Institute)的研究团队进行了相似的依赖性映射试验。他们同样发现微卫星不稳定性癌细胞系对WRN基因有强依赖性,这进一步证明WRN具有作为有力药物靶点的潜能。名为Ideaya的生物科技公司也开发了癌症依赖性图谱项目的数据,以开展有关微卫星不稳定性癌症中WRN存在的研究,且该公司也报告了癌症依赖性图谱项目团队研究成果

    靶向性的潜能

    WRN对解螺旋酶(helicase)进行编码。解螺旋酶是一种帮助细胞复制或读取DNA的酶,其作用的方法是释放并解压基因组的双螺旋(double helix)。失去错配修复功能的癌细胞对WRN产生依赖性机制的原因尚不明确。同样,仅缺少错配修复一点也不足以证明它即为引起癌细胞对WRN产生依赖性的因素。当研究团队使得微卫星不稳定性癌细胞的作用机制再度活化时,这些癌细胞对WRN的依赖程度有所降低,但依赖性并没有完全消失。

    当前并无可以直接攻击存在于WRN基因里解螺旋酶的药物,尽管这种酶作为靶点具有足够的吸引力。因健康且遗传稳定的细胞具有足够抵抗自身缺失的能力,故该研究团队建议:封锁解螺旋酶的药物应主要作用于对WRN有依赖性的癌细胞,同时使正常细胞相对不受损害。尽管遗传性WRN缺失可导致维尔纳综合征(Werner Syndrome),但患者需要数十年才会有症状出现。故此,研究团队建议:在癌症治疗的时间刻度上介入封锁WRN基因应具有可行性。

    此外,该研究团队还指出:微卫星不稳定性标记(MSI signature,可经现有的临床测试检测)可作为对该药物呈敏感性的肿瘤的有效生物标记。

    “大体上,这种WRN依赖性应具有靶向性。” Vazquez博士说道: “它的蛋白质产物具有酶活性,且这种依赖性为小分子结合提供了空间。尽管以WRN依赖性为靶点进行攻击并不繁琐,但我们仍需进一步探究能否开发出对它具有特异性的抑制剂,且后者在作用的同时不会攻击类似的酶。我们认为开发这种抑制剂还是有可能的。”

    Vazquez博士补充道: “我们的研究成果会激发其它专业和药物开发团队的研究兴趣,并且我们对能推进相关的疗法抱有希望。从更广泛的层面上看,这些研究成果描述了癌症依赖性图谱助力医生鉴别治愈性靶点并加速精准癌症医学发展的过程。”

    国际合作的结晶

    博德研究所和桑格研究所带领了描绘癌症依赖性的工作。研究人员希望借此为桥梁,为许多癌症患者缩小基因组测序和精准医学之间的鸿沟。对癌症存活起关键作用的基因是依赖性的代表,暨这些基因的弱点或可作为学界开发新疗法或重塑现有疗法的靶点。对这些具有依赖性的基因进行测绘是帮助癌症精准医学落地的关键。

    在博德研究所,癌症依赖性图谱项目研究团队(DepMap)汇聚了癌症科阿基里斯项目(Project Achilles)和癌症数据科学(Cancer Data Science)两个团队、研究所的遗传摄动平台(Genetic Perturbation Platform)以及其他团队,他们从全基因组RNA干扰和以CRISPR为基础的筛查入手,对数百个癌细胞系的基因依赖性进行了系统性地识别。仅在过去的18个月里,研究人员就已广泛利用癌症依赖性图谱项目数据的优势,展开以下研究:

    “癌症依赖性图谱项目(DepMap)积极地开发了网络门户,以确保他人可以有效利用这些正式出版前的数据。” Bass博士说道: “这些免费开放的工具保证了专业和行业癌症研究团队加快探索的步伐,癌细胞对WRN的依赖性就是一个有力例证。”

    “我们需要学习如何从一个肿瘤上读取分子信息,并由此了解到对个体患者有效的疗法类型。” 博德研究所首席科学官兼癌症科主任Todd Golub博士说道。“目前,我们可以从一些病例中完成上述过程,但是对于绝大多数的患者而言,这个愿景尚未能全方位实现。癌症依赖性图谱旨在实现这一目标。”

    该研究由以下机构和组织赞助支持:美洲基因组医学Slim计划(the Slim Initiative in Genomic Medicine for the Americas (SIGMA))—— 该组织是由Carlos Slim基金会(Carlos Slim Foundation)赞助的一项美国与墨西哥合作项目;美国国家癌症研究所(National Cancer Institute);泛马萨诸塞州挑战(Pan-Mass Challenge)等。

    引用文献:

    Chan EM, Shibue T, et al. WRN helicase is a synthetic lethal target in microsatellite unstable cancers. Nature. Online April 10, 2019. DOI: 10.1038/s41586-019-1102-x.

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