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“欲使其灭亡，必先使其疯狂。” 这句话用在癌细胞身上，恐怕再适合不过了。 从本质上讲，癌症就是一种基因病。当细胞内的基因突变积累到一定程度之后，细胞要么走向衰老死亡，要么就走向癌变。 不过这些突变在赋予癌细胞不死和无限繁殖能力的同时，也给它们的毁灭埋下了伏笔。 这个毁灭伏笔的序曲在1922年。 那一年，在哥伦比亚大学摩尔根实验室工作的遗传学家Calvin Bridges，在黑腹果蝇身上发现一种有趣的现象：当某两个特定的基因同时突变失活时，会导致果蝇的死亡；而这两个基因单独任何一个突变失活，都不会给果蝇带来致命的伤害[1]。 1946年，Theodosius Dobzhansky给这种现象取了个名字，它就是今天大名鼎鼎的“合成致死”效应[2]。 这个概念一沉寂就是51年。在考虑到癌细胞携带有大量基因突变之后，1997年，福瑞德·哈金森癌症研究中心的Stephen Friend敏锐地察觉到，这个“合成致死”的理念或许可以用到癌症的治疗中[3]。 在Stephen Friend看来，正常细胞癌变是个异常的举动。俗话说，“物极必反”，那我们干脆就让异常来的更疯狂吧。 合成致死理念 这个想法很疯狂，不过竟真的能让癌细胞走向死亡。 2014年，全世界第一个按照“合成致死”理念设计的抗癌药物PARP（多聚ADP核糖聚合酶）抑制剂Olaparib，获得FDA批准用于治疗卵巢癌。随后，在2016年和2017年，PARP抑制剂Rucaparib和Niraparib先后闪亮登场。 一种全新的抗癌手段崛地而起。 “破罐子破摔”实际上，大部分细胞从正常走向癌变，并不是说它们的基因天生就不好，而是因为在生长的过程中，细胞的DNA会不断遭受内在和周遭各种不利因素的夹击，例如，辐射、化学毒物、细胞自身有害代谢产物、DNA自己复制错误等，导致癌症相关基因发生了突变，最终导致了癌症[4]。 据估计，人体每个细胞每天产生的单链DNA损伤数约为10000个，如果把其他损伤也都算上的话这个数据又要翻10倍，变成10万个[5]。 与DNA遭受的损伤相比，癌症的发生风险就显得微不足道了，这主要得益于人体精密、复杂而高效的DNA修复系统。 在DNA损伤中，最严重的损伤是单链断裂和双链断裂，不过单链断裂更常见。这些断裂如果不能得到及时、准确的修复，会使基因组变得不稳定，进而引起癌变，甚至直接导致细胞死亡。 DNA单链断裂（SSB）和双链断裂（DSB）示意图 为维持正常生理功能，细胞必须有多种DNA损伤发现和修复机制，使受损的DNA得到及时精确的修复。 对于单链断裂而言，它的修复主要依赖于PARP，这个酶在人体内有17种，它们虽然长得有些像，但功能却不尽相同[6]。 目前的研究认为，DNA损伤修复依赖的PARPs主要包括PARP-1和PARP-2，它俩都能精准地识别DNA的伤口，并与DNA亲密结合。只不过在修复DNA损伤的过程中，PARP-1发挥着90%以上的功能，PARP-2更像是个备胎[7]。 而对于双链断裂而言，它虽然少，但是情况更严重，如果不能及时修复，细胞的DNA就会变得不稳定，细胞最终走向死亡。 所以双链DNA断裂有两种主要的修复方式。一种是非同源末端连接（NHEJ）修复，它更像个紧急救火队长，先不管修复的对不对，把断掉的DNA连上再说。这种方法最主要的优点是快，但是非常容易出错，一旦出大问题，对细胞来说有可能就是毁灭性的打击。 DNA断裂的修复方式一览 另外一种是同源重组（HR）修复途径，参与这种修复方式的蛋白非常之多例如BRCA、ATM、RAD51等等，其中最为人所熟知的是BRCA蛋白。这种修复方式像外科手术，是一种高保真、无错误的修复方式。 对于癌细胞而言，既然它是基因突变导致的，那肯定是上述修复过程没起作用，或者工作不到位造成的。 鉴于癌细胞也要维持自身基因组的稳定性，因此，作为一个“理性”的癌细胞，它们肯定不会让上述所有的DNA损伤修复机制全部瘫痪。不过为了保持进化的活力，部分修复方式失去功能是可能的。 这也就给了科学家们可乘之机。以DNA修复为靶点，把癌细胞这个DNA已经出现大量突变的“破罐子”彻底捣毁。 2005年，“摔破”癌细胞这个“破罐子”的曙光初现。 两个独立研究团队背靠背在顶级期刊《自然》发表重要研究成果，首次证实PARP抑制剂与BRCA1或BRCA2突变之间存在“合成致死”的相互作用[8，9]。 合成致死治疗癌症的大门打开了。 “扼住”PARP的咽喉结合前面介绍的DNA修复机制，你会发现PARP与BRCA是一对合成致死冤家这事儿并不难理解。癌细胞的DNA再混乱，它们也还是需要维持自身基因组的稳定。 如果负责双链断裂修复的BRCA突变失活了，我们再把管单链断裂的PARP抑制掉，癌细胞中每天出现的大量单链断裂就会变成双链断裂，最终导致癌细胞死亡。 不过，这个合成致死的机制看似简单，其实要设计一个优秀的PARP抑制剂并没有那么简单。 PARP抑制剂“合成致死”机制 要把这个事情说清楚，我们还得从PARP修复单链DNA断裂的过程说起。 在细胞内，一旦PARP发现DNA上存在单链断裂的缺口，就会立即结合上去，这种结合会激活PARP的催化活性。 此时，游荡在PARP周围的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD ，这个物质最近非常火，抗衰老、抗癌都有它的份儿）会立即与PARP的活性位点结合，结合后的复合体会把周围参与DNA修复效应子统统拉过来，填补上DNA断开的缺口。于此同时，染色质也会变得松弛，PARP复合体就顺利从损伤缺口脱离下来，回到之前的失活状态待命[10]。 在这个修复的过程中，NAD 与PARP的结合，就是那个关键的点。 实际上，早在30年前，小分子烟酰胺类似物就被证明可以竞争性抑制这个过程，并增强DNA损伤剂硫酸二甲酯的细胞毒性[11-13]。 目前在临床中使用的所有PARP抑制剂，都有一个与NAD 竞争结合PARP的烟酰胺部分，因此它们抑制PARP催化活性的能力是类似的；然而，由于不同的抑制剂结构存在较大差异，它们对不同PARP家族成员的选择性存在一定的差异[14]。 PARP抑制剂结构比拼：红色部分为共通部分 就拿已经获得FDA批准的三个PARP抑制剂而言，有研究表明，与Olaparib和Rucaparib相比，Niraparib只选择性抑制PARP-1和PARP-2的活性，不抑制PARP-3的活性[15，16]。 可别小看了这个差异，毕竟科学家对PARP-3的认知还不够。 虽然从结构上看，PARP-3与PARP-1也长得很像，但PARP-3在组织分布、生物学功能方面，与PARP-1却表现出很大的不同[17]。 除此之外，之前还有研究表明，当PARP-1表达被抑制之后，PARP-2的表达会代偿性地增加，以顶替PARP-1的职能；但PARP-3却不会在PARP-1和PARP-2表达被抑制后代偿性增加[17-19]。 而且也有研究表明，特异性抑制PARP-1和PARP-2，但不抑制PARP-3，就能让肿瘤消退[20]。 这些似乎都表明PARP-3有其独特的生物学功能。 部分PARP抑制剂选择性的比较 由此可见，PARP抑制剂抑制PARP-3的活性，可能不仅没有抗癌效果，而且可能还有意想不到的副作用。 “诱捕”PARP在研究PARP抑制剂的过程中，科学家们还发现了一个很奇怪的现象。 PARP抑制剂对癌细胞的杀伤力大于敲除PARP基因本身[21，22]，这意味着PARP抑制剂的抗癌效果不仅仅在于抑制PARP的活性，背后可能还有其他的原因。 后来科学家发现，这个现象要归结于PARP抑制剂对PARP的“诱捕”作用[21，22]。 所谓“诱捕”作用，说的是PARP抑制剂竞争性结合到PARP酶上之后，会导致与受损DNA结合的PARP-1和PARP-2被困在DNA上下不来了，同时直接造成其他的DNA修复蛋白也结合不上来了。后果是，DNA断裂不仅不能被修复，而且还从单链断裂变成双链断裂，最终导致细胞死亡[23]。 实际上，科学家已经认识到，“诱捕”PARP并把它“钉”在DNA上，才是PARP抑制剂消灭癌细胞的最大杀器[18，21]。因此，在比较单一PARP抑制剂抗癌活性时，必须基于其捕获效力。 从这个角度看，目前已经获FDA批准的三款PARP抑制剂捕获PARP的能力依次为：Niraparib > Olaparib = Rucaparib[21，22，24]。 PARP抑制剂在BRCA2突变模式小鼠中的效果 它们捕获能力之间的这种差异，也反映在了抗癌效果上。 与众不同，潜力无限可能你已经发现了，上面介绍的都是PARP抑制剂与BRCA突变之间的协同致死作用，但是以BRCA为代表的同源重组通路并非只有BRCA这一条路，对于BRCA基因没有突变的癌细胞，PARP抑制剂是不是也有效果呢？ 其实，2005年的研究就已经表明：PARP抑制剂对于BRCA没有突变的癌细胞也有杀伤力。 只不过与携带BRCA突变的癌细胞相比，BRCA没有突变的癌细胞对PARP抑制剂的敏感性差了近1000倍[9]。
BRCA突变比不突变对PARP抑制剂更敏感 这也就意味着，对于那些BRCA基因没有突变的肿瘤，在使用PARP抑制剂治疗时，需要更高的药物暴露，才能到达与BRCA突变的肿瘤同样的效果。 对于这种情况而言，哪种PARP抑制剂的效果好，就要看每种药物药物在体内吸收、分布、代谢和排泄规律的数据。
从上面的表格不难看出，Niraparib的药代学数据有一定的优势，它的高溶解和渗透性，让它有个非常高的生物利用度，这会让它更容易抵达肿瘤；长达36个小时的半衰期，大大降低了给药的频率，一天一次肯定比一天两次更方便。 此外，CYP3A是个被盯上概率比较高的靶点，目前有不少的药物的作用就是抑制它的活性，还有一些药物会诱导CYP3A的表达，这都会影响以CYP3A为代谢酶的药物的使用；而以羧酸酯酶为代谢酶的Niraparib基本不需要考虑药物之间的相互作用。 再加上其在PARP酶捕获上的优势。使得Niraparib不仅在BRCA野生型/HRD阳性的卵巢癌PDX模型中显示出更强的抗肿瘤活性；而且在BRCA野生型/HRD阴性的卵巢癌PDX模型中也表现出更强的抗肿瘤活性[25]。
正是基于以上优秀的临床前数据，以及后来开展的临床研究。在2017年，Niraparib获得FDA的上市批准，成为全球第一个适用于所有铂敏感、复发卵巢癌患者，无论其BRCA基因是否突变的PARP抑制剂。 这也就意味着，在使用Niraparib之前不需进行BRCA或其它生物标志物检测，这显然能让更多卵巢癌患者获益。 当然，我们对于PARP抑制剂的认知还刚刚起步，它应该还有很多未知的技能等着我们去发现。 例如最近德州大学MD安德森癌症中心的研究团队发现，抑制肿瘤细胞的PARP修复通路，竟然可以触发STING免疫通路，进而募集杀伤性T细胞进入肿瘤[26]。
抑制PARP激活免疫通路的机制 这个研究暗示，PARP抑制剂联合免疫检查点抑制剂将大有可为。 PARP抑制剂的未来，可期。 编辑神叨叨 送癌细胞一程~ 更多癌症领域的研究进展尽在瞬息：
参考资料： [1]：Nijman S M, Friend S H. Potential of the Synthetic Lethality Principle[J]. Science, 2013, 342(6160): 809-811. DOI：10.1126/science.1244669 [2].Dobzhansky T. GENETICS OF NATURAL POPULATIONS. XIII. RECOMBINATION AND VARIABILITY IN POPULATIONS OF DROSOPHILA PSEUDOOBSCURA[J]. Genetics, 1946, 31(3): 269-290. [3].Hartwell L, Szankasi P, Roberts C J, et al. Integrating Genetic Approaches into the Discovery of Anticancer Drugs[J]. Science, 1997, 278(5340): 1064-1068. DOI：10.1126/science.278.5340.1064 [4].Pilie P G, Tang C, Mills G B, et al. State-of-the-art strategies for targeting the DNA damage response in cancer[J]. Nature Reviews Clinical Oncology, 2018. DOI：10.1038/s41571-018-0114-z [5].Hoeijmakers J H. DNA Damage, Aging, and Cancer[J]. The New England Journal of Medicine, 2009, 361(15): 1475-1485. DOI：10.1056/NEJMra0804615 [6].Peraltaleal A, Rodriguezvargas J M, Aguilarquesada R, et al. PARP inhibitors: New partners in the therapy of cancer and inflammatory diseases[J]. Free Radical Biology and Medicine, 2009, 47(1): 13-26. DOI：10.1016/j.freeradbiomed.2009.04.008 [7].Langelier M, Riccio A A, Pascal J M, et al. PARP-2 and PARP-3 are selectively activated by 5′ phosphorylated DNA breaks through an allosteric regulatory mechanism shared with PARP-1[J]. Nucleic Acids Research, 2014, 42(12): 7762-7775. DOI：10.1093/nar/gku474 [8].Bryant H E, Schultz N, Thomas H D, et al. Specific killing of BRCA2-deficient tumours with inhibitors of poly(ADP-ribose) polymerase[J]. Nature, 2005, 434(7035): 913-917. DOI：10.1038/nature03443 [9].Farmer H, Mccabe N, Lord C J, et al. Targeting the DNA repair defect in BRCA mutant cells as a therapeutic strategy.[J]. Nature, 2005, 434(7035): 917-921. DOI：10.1038/nature03445 [10].Lord C J, Ashworth A. PARP inhibitors: Synthetic lethality in the clinic[J]. Science, 2017, 355(6330): 1152-1158. DOI：10.1126/science.aam7344 [11].Miwa M, Tanaka M, Shinshi H, et al. Seminar on Poly(ADP-Ribose) and ADP-ribosylation of Protine[J]. Journal of Biochemistry, 1975: 10-11. DOI：10.1093/oxfordjournals.jbchem.a130855 [12].Purnell M R, Whish W J. Novel inhibitors of poly(ADP-ribose) synthetase.[J]. Biochemical Journal, 1980, 185(3): 775-777. DOI：10.1042/bj1850775 [13].Terada M, Fujiki H, Marks P A, et al. Induction of erythroid differentiation of murine erythroleukemia cells by nicotinamide and related compounds[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1979, 76(12): 6411-6414. DOI：10.1073/pnas.76.12.6411 [14].Pilie P G, Tang C, Mills G B, et al. State-of-the-art strategies for targeting the DNA damage response in cancer[J]. Nature Reviews Clinical Oncology, 2018. DOI：10.1038/s41571-018-0114-z [15]. Wang S et al. Presented at AACR-NCI-EORTC Molecular Targets and Cancer Therapeutics Symposium; Nov 29–Dec 2, 2016; Munich, Germany; [16].Zhong Y, Katavolos P, Nguyen T, et al. Tankyrase Inhibition Causes Reversible Intestinal Toxicity in Mice with a Therapeutic Index < 1[J]. Toxicologic Pathology, 2016, 44(2): 267-278. DOI：10.1177/0192623315621192 [17].Beck C, Robert I, Reinasanmartin B, et al. Poly(ADP-ribose) polymerases in double-strand break repair: focus on PARP1, PARP2 and PARP3.[J]. Experimental Cell Research, 2014, 329(1): 18-25. DOI：10.1016/j.yexcr.2014.07.003 [18].Ghosh R, Roy S, Kamyab J, et al. Common and unique genetic interactions of the poly(ADP-ribose) polymerases PARP1 and PARP2 with DNA double-strand break repair pathways.[J]. DNA Repair, 2016: 56-62. DOI：10.1016/j.dnarep.2016.06.001 [19].Sukhanova M V, Abrakhi S, Joshi V, et al. Single molecule detection of PARP1 and PARP2 interaction with DNA strand breaks and their poly(ADP-ribosyl)ation using high-resolution AFM imaging[J]. Nucleic Acids Research, 2016, 44(6). DOI：10.1093/nar/gkv1476 [20].Oconnor L O, Rulten S L, Cranston A, et al. The PARP Inhibitor AZD2461 Provides Insights into the Role of PARP3 Inhibition for Both Synthetic Lethality and Tolerability with Chemotherapy in Preclinical Models.[J]. Cancer Research, 2016, 76(20): 6084-6094. DOI：10.1158/0008-5472.CAN-15-3240 [21].Murai J, Huang S Y, Das B B, et al. Trapping of PARP1 and PARP2 by Clinical PARP Inhibitors[J]. Cancer Research, 2012, 72(21): 5588-5599. DOI：10.1158/0008-5472.CAN-12-2753 [22].Murai J, Huang S N, Renaud A, et al. Stereospecific PARP trapping by BMN 673 and comparison with olaparib and rucaparib.[J]. Molecular Cancer Therapeutics, 2014, 13(2): 433-443. DOI：10.1158/1535-7163.MCT-13-0803 [23].Satoh M S, Lindahl T. Role of poly(ADP-ribose) formation in DNA repair.[J]. Nature, 1992, 356(6367): 356-358. DOI：10.1038/356356a0 [24].Pommier Y, Oconnor M J, De Bono J S, et al. Laying a trap to kill cancer cells: PARP inhibitors and their mechanisms of action[J]. Science Translational Medicine, 2016, 8(362). DOI：10.1126/scitranslmed.aaf9246 [25].Sun K, Mikule K, Wang Z, et al. A comparative pharmacokinetic study of PARP inhibitors demonstrates favorable properties for niraparib efficacy in preclinical tumor models[J]. Oncotarget, 2018, 9(98). DOI：10.18632/oncotarget.26354 [26].Sen T, Rodriguez B L, Chen L, et al. Targeting DNA damage response promotes anti-tumor immunity through STING-mediated T-cell activation in small cell lung cancer[J]. Cancer Discovery, 2019: CD-18-1020. DOI：10.1158/2159-8290.CD-18-1020 |
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