以下文章来源于生物医学科研之家 ，作者Doc. Cheng
背景：
细胞已经进化出一个复杂的生化途径网络，统称为DNA损伤反应(DDR)，以防止有害突变传递给后代。DDR与细胞周期检查点激活和其他整体细胞反应协调DNA修复。在癌症中，编码DDR因子的基因经常发生突变，从而导致基因组不稳定，这是许多肿瘤的内在特征，也是它们能够生长、转移和对造成DNA损伤的治疗(如放疗)产生应答的基础。在BRCA1或BRCA2突变的肿瘤中，我们对基因DDR消除如何影响治疗应答有了更深入的了解。由于同源重组DNA修复受损，这些肿瘤依赖于其他修复机制，并且易受聚(ADP-核糖)聚合酶(PARP)的化学抑制剂的影响，PARP特异性地杀死同源重组缺陷的癌细胞，并成为靶向癌症治疗的典范。现在已经清楚，在DDR基因之间还存在许多其他的合成致死关系。至关重要的是，这些相互作用中的一些可以在临床中用于靶向对PARP抑制产生耐药性的肿瘤。
简介：
2022年12月5日，来自英国牛津大学肿瘤学系的Madalena Tarsounas教授课题组在Nat Rev Cancer（IF: 69.8）杂志上发表题为“Targeting DNA damage response pathways in cancer”的文章[1]。在这篇文章中，作者讨论了使用小分子抑制剂的最先进的DDR灭活策略，并重点介绍了那些目前正在临床评估的化合物。
主要结果：
DNA损伤激活由检查点激酶介导的信号级联。
DDR始于损伤识别和DNA修复途径的参与。根据遗传毒性应激的类型和复杂性，可能会启动细胞信号级联反应，从而改变周围的染色质，激活细胞周期检查点，并通过改变转录或翻译来修饰基因表达。如果病变不能迅速修复，持续的DDR信号还可以通过促进分化、衰老或程序性细胞死亡来改变细胞命运。因此，DDR保持了基因组的稳定性，以最大限度地增加遗传物质完整和不变地传给下一代的机会。
ATM和ATR是负责协调对DNA双链断裂(DSBs)和复制应激的细胞反应的激酶(图1)，这些反应包括DNA修复、检查点激活、凋亡、衰老以及染色质结构、转录和前体mRNA剪接的改变。为了达到这一目的，它们磷酸化数百个底物以应对DNA损伤。下游细胞周期检查点激酶CHK1和CHK2分别是ATR和ATM的主要底物，并负责下调细胞周期蛋白依赖性激酶(CDKs)的活性，以停止细胞周期进展，以应对遗传毒性应激。在G1期细胞中，ATM和CHK2通过p53的磷酸化和稳定来实现这一过程，从而导致编码CDK抑制剂p21的CDKN1A的转录。
多种DNA修复途径处理不同的DNA损伤。
最常见的DNA损伤类型是仅影响DNA双螺旋的一条链，可能是由磷酸骨架中的单链断裂(SSBs)或DNA碱基的化学修饰引起。大多数此类病变可通过碱基切除修复或核苷酸切除修复途径识别和修复，或者在复制过程中通过跨损伤合成完全绕过。在DNA复制过程中，错误的核苷酸可能被合并，导致两个不匹配的碱基;这些都是通过错配修复(MMR)途径处理的。或者，可以将核糖核苷酸(而不是脱氧核糖核苷酸)并入基因组;它们被核糖核酸酶H2 (RNase H2)切除。偶尔，双螺旋的两股可以交联;根据其化学性质，这种DNA链间交联可通过范可尼贫血途径、DNA糖基化酶NEIL3或其他特征不完全的链间交联修复途径进行修复。蛋白质也可以共价被困在DNA上，这需要由特殊蛋白酶(如SPRTN)介导的DNA-蛋白质交联修复。
DNA损伤位点的染色质修饰调控DNA修复途径的选择。
虽然细胞周期依赖的磷酸化事件(例如，CDKs的CtIP磷酸化)使DNA切除和HR在细胞周期的S期和G2期开始，但在整个间期，NHEJ仍然是主要的DSB修复途径。这部分是由于BARD1 (BRCA1的稳定结合伴侣)和53BP1在染色质水平对DSB修复的调节，这两种蛋白分别竞争促进和拮抗末端切除。BARD1和53BP1是组蛋白H2A Lys15 (H2AK15)泛素化(RNF168沉积的DNA损伤诱导的组蛋白修饰)和组蛋白H4 Lys20 (H4K20)甲基化状态的解读者。组蛋白H4 Lys20二甲基化是沉积在成熟染色质上的组蛋白修饰，因此在S期子代DNA链中不存在组蛋白H4 Lys20二甲基化63,64。通过直接结合包含H2AK15ub65和H4K20me2的核小体，53BP1招募下游效应蛋白，包括RIF1和shieldin复合体，通过调节染色质3D结构，保护DSB末端和/或招募DNA聚合酶-α来填补切除过程中产生的ssDNA缺口来对抗DNA末端切除。因此，53BP1及其结合伴侣通过抑制ssDNA的产生，确保足够长度的RAD51丝不能组装，从而抑制HR。
图1：DSBs细胞周期依赖性DDR激活
PARP抑制剂在癌症靶向治疗中的应用。
BRCA1或BRCA2的种系杂合突变使受累个体易患多种癌症，包括乳腺癌、卵巢癌、前列腺癌和胰腺癌。如前所述，BRCA1和BRCA2通过HR途径促进精确的DNA修复，而HR途径对于暴露于电离辐射或DNA链间交联剂等DNA损伤治疗后保持基因组完整性至关重要。在没有外源攻击的情况下，BRCA1和BRCA2对于在DNA复制期间维持基因组稳定性至关重要。虽然BRCA1和BRCA2本身不是复制所必需的，但BRCA1和BRCA2通过阻止核酸酶对新生DNA的降解和促进复制叉断裂的HR修复来促进复制。当BRCA1或BRCA2被消除时，复制失败引起的DNA损伤就会累积。通过易出错的备份路径对其进行修复会产生基因组改变(插入、缺失和染色体重排)，对基因组完整性构成威胁，并从长远来看促进肿瘤发生。
如前所述，PARP在SSB修复中起关键作用。因此，最初的假设是，PARP抑制特异性地杀死BRCA1/2缺陷细胞是由于SSB的积累，当它们遇到复制叉时，SSB会转化为DSB。复制相关的DSB是一端的，因此必须由HR修复，因为NHEJ可以产生毒性基因组重排。BRCA1/2缺陷细胞和更普遍的hr缺陷细胞对PARP抑制的极度超敏被认为是由于PARP依赖性SSB修复受到抑制，导致DNA损伤(SSB和DSB)在复制过程中累积。然而，该模型并不能完全解释以下观察结果:BRCA1/2缺陷细胞对PARP抑制剂的敏感程度与它们在DNA上“捕获”PARP的程度相关。
图2：DSB修复的主要途径和备份途径
临床上靶向DDR激酶。
ATM抑制剂。
ATM是协调DSB修复的顶端DDR激酶，因此已经开发出多种化合物对其进行选择性抑制(表1)。鉴于ATM在DSB信号传导和修复中的关键作用，ATM抑制联合放疗是根除肿瘤的明显和有吸引力的治疗组合，目前正在几项临床试验中进行探索。早期，有研究表明，特异性ATM抑制剂可用于增加dna损伤剂的抗癌活性，如拓扑异构酶抑制剂或PARP抑制剂。此外，ATM缺陷使癌细胞对拓扑异构酶1抑制剂或PARP抑制剂敏感。这具有临床意义，因为ATM在散发性癌症(包括肺癌、乳腺癌、脑癌或胰腺癌)中经常发生突变或失活。机制上，PARP和拓扑异构酶1抑制剂导致的单端dsb需要HR来精确修复。ATM信号的丢失延迟了末端切除，并将一端dsb的修复引导到NHEJ，从而导致毒性染色体融合。
DNA-PKcs抑制剂。
DNA-PKcs，全酶DNA-PK的催化亚基，也包括蛋白Ku70和Ku80，在整个细胞周期中通过NHEJ对DSB修复至关重要。与此一致，缺乏DNA-PKcs的细胞对DSB诱导剂敏感，DNA-PKcs抑制剂治疗再现了这一效应。与ATM类似，DNA-PKcs抑制联合放疗是一种有吸引力的抗癌策略。重要的是，由于ATM和DNA-PKcs在响应DSB的底物磷酸化中只显示部分冗余，因此它们的伴随损失是合成致死的。因此，DNA-PKcs抑制剂，尤其是目前处于临床试验中的DNA-PKcs抑制剂，可能对ATM缺陷型肿瘤也有效。
ATR抑制剂。
激酶ATR作用于S期，通过调节起始放电和分叉进程来确保及时和准确的DNA复制。因为癌细胞经常积累停滞的复制叉，它们变得依赖ATR信号来维持DNA复制。由于p53缺乏或癌基因激活导致G1-S转换控制缺陷的细胞也依赖于ATR信号传导。因此，ATR是一个有吸引力的肿瘤治疗靶点，近年来开发了多种特异性和强效的ATR抑制剂。ATR抑制剂增加复制叉停滞，促进染色体断裂，导致细胞毒性。癌基因(如编码细胞周期蛋白E1的癌基因)的过度表达引起复制应激的癌细胞特别容易受到ATR抑制剂的影响。在ALK-和MYCNamalized神经母细胞瘤的异种移植小鼠模型中观察到类似的结果，其中ATR抑制导致肿瘤生长受到抑制。携带干扰DNA修复的ATM突变的癌细胞也对ATR抑制剂敏感
结论和展望：
在涉及DNA代谢反应(复制和修复)的细胞过程中，DDR网络高度协调，以确保染色体的完整性。鉴于这些活性对细胞的生存和增殖是必不可少的，因此很早就清楚靶向DDR可能是一种抑制癌细胞生长的可行策略。这种方法的明显挑战是靶向肿瘤中的DDR，而不影响正常组织。在应对这一挑战方面已经取得了实质性进展，我们发现了促进肿瘤生长的特定基因改变，同时使肿瘤在这种特定的遗传背景下对具有选择性毒性的DDR靶向治疗易感性。肿瘤中BRCA1/BRCA2突变和PARP抑制剂之间的合成-致死相互作用这一特征明确的范例说明了这一概念。
近年来已开发出多种靶向DDR通路的新型化合物，并且那些在临床前研究中显示出良好效果的化合物正在患者中进行评估。然而，重要的是要认识到，这种经验性方法可能不适用于癌症等复杂疾病。因此，当务之急是集中研究精力发现新的药物开发靶点，以及通过优化配方或识别有效的药物组合来优化现有药物，以减少副作用和最大限度地提高临床疗效。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41568-022-00535-5
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