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上周，我们为大家介绍了奥拉帕利的发展史，从BRCA突变到HRD再到铂敏感，从卵巢癌到多癌种，奥拉帕利的适用范围正在逐步拓展。当前，随着研究的不断深入，科学家们逐渐发现了BRCA早已不是唯一的biomarker，相关检测需求也已经从BRCA延伸到了其他DNA损伤修复基因的检测。 2015年，诺贝尔化学奖授予了托马斯·林达尔、保罗·莫德里克、阿齐兹·桑贾尔三位科学家，颁奖词说道：三人在分子领域绘制出了细胞是如何完成DNA修复及保护其遗传信息的，他们的研究发现为活细胞功能的认知提供了基础知识，其研究成果在未来甚至可以为癌症治疗的发展提供极大的帮助。那么DNA修复系统究竟蕴藏着怎样的奥秘呢？ DNA修复系统 DNA是由核苷酸组成的一类具有双螺旋结构的生物高分子。在人这一生中，细胞每一天都在遭受着内源性（正常代谢中产生的活性氧引起的氧化作用）及外源性（来自环境的化学物质、致癌物质、紫外线、化疗药物、电离辐射等）损伤，而DNA这种神奇的分子有能力通过多种机制来改变和修复这些损伤。 DNA损伤修复机制 目前已知的DNA损伤修复机制主要有六种，分别为： 1、直接修复（direct repair, DR）：直接修复DNA的烷基化损伤； 2、碱基切除修复（base excision repair, BER）：主要修复内源性的氧化、烷基化和脱氨基的碱基损伤； 3、核苷酸的切除修复（nucleotide excision repair, NER）：主要修复外源性辐射、化学物质及蛋白质形成的DNA加成物； 4、错配修复（mismatch repair, MMR）：修复自发产生的和碱基脱氨基、碱基氧化及碱基甲基化等导致的碱基错配； 5、同源重组修复（homologous recombination repair, HRR）和6、非同源末端连接（non-homologous end-joining repair, NHEJ）：均修复DNA双链断裂（double strand breaks, DSBs）。 DSBs是最严重的DNA损伤形式，若无法修复则会导致细胞死亡，异常修复也可能导致染色体缺失等变化。今天就让我们先来看看，双链修复中很重要的一种方式——同源重组修复吧。 HRR与HRD 同源重组修复使用未受伤的姐妹染色单体的同源序列作为其修复的模板[1-2]，虽然其只在细胞周期S期和G2期发挥作用，并且只能修复部分双链损伤，但它仍是最重要的修复方式，对于保持哺乳动物基因组完整性十分重要。 HRR修复过程 如上图所示，在HRR过程中，MRN复合物率先识别DNA的双链损伤，结合到DNA末端。MRN复合物与转录因子CtIP（CtBP-interacting protein）共同作用，对DNA末端进行修剪，使得DNA 5’末端降解，产生3’单链DNA（ssDNA）。复制蛋白A（replication protein A，RPA）包被3’单链DNA后保护其免受核酸酶的降解，在BRCA2蛋白介导下RPA被重组酶Rad51替换，形成核蛋白丝，在姐妹染色单体上寻觅同源序列。随后，Rad51蛋白介导侵入DNA双链模板，与同源DNA序列配对形成D-Loop结构，D-Loop延伸或与另一个末端连接，进而完成整个修复过程[3]。这种修复模式虽然速度较慢，效率较低，但是相对而言比较精准，可以使基因组得到完美的修复。 HRR过程涉及多种信号通路和基因，常见通路基因有BRCA1/2, ATM, CHEK2, BARD1, BRIP1, MRE11A, RAD50, RAD51C, RAD51D及PALB2等。当修复过程遭到破坏时，可能会导致同源重组缺陷（homologous recombination deficiency, HRD），进而导致患癌风险升高。HRD可以通过多种机制发生，包括遗传突变，启动子甲基化，以及其他尚待定义的原因等。 当肿瘤细胞含有HRD的时候，不能对DNA进行精确修复，会导致肿瘤基因组变得非常不稳定（基因组不稳定性），进而易于接受特定治疗。 协同致死效应 在碱基切除修复过程中，聚腺苷二磷酸核糖聚合酶[poly(ADP-ribose)polymerase, PARP]是绝对的主角。在PARP家族中，参与修复过程的成员主要为PARP-1，它包含N端锌指DNA结合域、自身修饰域和C端催化域三个结构域[4]。PARP通过识别结构损伤的DNA片段而被激活，进而参与碱基切除修复过程，是单链 DNA 损伤修复的关键分子，在DNA损伤修复、维持基因组稳定和细胞凋亡中发挥重要作用[5-6]。 PARP-1结构 在正常细胞中，当DNA损伤发生单链断裂时，PARP-1的DNA结合域结合到DNA损伤部位，发生自身糖基化，催化烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）分解为烟酰胺和ADP核糖，再以ADP核糖为底物，使受体蛋白以及PARP-1自身形成聚ADP-核糖聚合物（“PAR 化”），形成PARP-ADP核糖支链，避免损伤部位周围的DNA分子与损伤的DNA进行重组，同时吸引DNA修复蛋白、组蛋白H1、一系列转录因子和其他DNA修复酶等结合在DNA损伤处，对损伤部位进行修复[7-8]。 当PARP功能受损或被抑制时，单链断裂持续存在，进而导致复制叉停顿及DNA双链断裂。在具有同源重组修复途径的正常细胞中，上述DNA双链可以被修复，补偿BER通路丧失的功能；而在HRD的肿瘤细胞中，缺乏代偿机制，肿瘤细胞无法修复DNA损伤，最终导致细胞死亡，该机制即为协同致死效应（synthetic lethality）[9-11]。根据协同致死效应，诱导携带BRCA胚系突变的肿瘤细胞死亡的PARP抑制剂应运而生。 协同致死效应示意图[12] 不同癌种HRD存在情况 研究表明，在中国乳腺癌患者中，5.3%携带BRCA1/2突变，2.9%携带其他乳腺癌遗传易感基因，1.0%携带其他肿瘤遗传易感基因，三阴性乳腺癌中HRD突变频率较高，致病突变的出现频率为16%[13]。另有研究证明，在高级别浆液性卵巢癌中，HRD比例更是高达53.5%[14]。事实上，除了乳腺癌和卵巢癌外，HRD还普遍存在于多个癌种中，包括前列腺癌、胰腺癌、肝癌等。 综合各项已有研究来看，HRD阳性患者与HRD阴性患者相比，对铂类以及PARP抑制剂有更好的响应。因此，HDR的检测对靶向药物的使用有着十分重要的参考价值，开拓了新的治疗靶点，也为患者带来了更多希望。 参考文献： [1]Bonner WM, Redon CE, Dickey JS, et al. GammaH2AX and cancer [J]. Nat RevCancer, 2008, 8(12): 957-967. [2]Wang Q, Ma S, Song N, et al. Stabilization of histone demethylase PHF8 by USP7promotes breast carcinogenesis [J]. The Journal of clinical investigation,2016, 126(6): 2205-2220. [3]Brandsma, I., & Gent, D. C. Pathway choice in DNA double strand breakrepair: observations of a balancing act. Genome Integrity, 2012, 3(1), 9. [4]Langelier MF, Planck JL, Roy S, et al. Structural basis for DNAdamage-dependent poly (ADP-ribosyl) ation by human PARP-1. Science, 2012,336(6082): 728-732. [5]Ohmoto A, Yachida S. Current status of poly(ADP-ribose) polymerase inhibitorsand future directions. Onco Targets Ther, 2017, 10: 5195-5208. [6]Rouleau M, Patel A, Hendzel MJ, et al. PARP inhibition: PARP1 and beyond. NatRev Cancer, 2010, 10(4): 293-301. [7]de Murcia G, Huletsky A, Lamarre D, et al. Modulation of chromatinsuperstructure induced by poly (ADP-ribose) synthesis and degradation. J BiolChem, 1986, 261(15): 7011-7017. [8]Hoeijmakers JH. Genome maintenance mechanisms for preventing cancer. Nature,2001, 411(6835): 366-374. [9]Farmer H, McCabe N, Lord CJ, et al. Targeting the DNA repair defect in BRCAmutant cells as a therapeutic strategy. Nature, 2005, 434(7035): 917-921. [10]Jasin M, Rothstein R. Repair of strand breaks by homologous recombination. ColdSpring Harb Perspect Biol, 2013, 5(11): a012740. [11]Ashworth A, Lord CJ, Reis-Filho JS. Genetic interactions in cancer progressionand treatment. Cell, 2011, 145(1): 30-38. [12]Turk AA, Wisinski KB. PARP inhibitors in breast cancer: Bringing syntheticlethality to the bedside. Cancer, 2018, 124(12): 2498-2506. [13]Sun J, Meng H, Yao L, et al. Germline Mutations in Cancer Susceptibility Genesin a Large Series of Unselected Breast Cancer Patients. Clin Cancer Res, 2017,23(20): 6113-6119. 优迅医学系国高新技术产业单位，中国癌症基金会合作机构，液态活检大规模临床试验推动者，国家科技部“十三五”重点研发计划课题承担方。优迅医学秉承“更贴近临床”的服务理念，致力于规模化出生缺陷防控与肿瘤精准医疗产业开发。在肿瘤诊疗领域，拥有ctDNA和CTC液态活检双平台助力肿瘤的用药指导、预后评估及动态监测；优迅的低深度WGS早筛技术基于自主知识产权的CCeS三维泛肿瘤早筛分析模型，在前期优秀临床数据基础上，正在大规模临床试验阶段。截至目前，优迅满分通过国家卫健委、美国CAP各项室间质量评价50余次，业务覆盖全国30个省市地区及1500+医疗机构。
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