stringtranslate.com

Синтетическая летальность

Синтетическая летальность определяется как тип генетического взаимодействия, при котором комбинация двух генетических событий приводит к гибели клетки или гибели организма. [1] Хотя вышеизложенное объяснение шире, обычно, когда речь идет о синтетической летальности, подразумевают ситуацию, возникающую в силу комбинации дефицитов двух или более генов, приводящих к гибели клетки (будь то посредством апоптоза или иным образом), тогда как дефицит только одного из этих генов не приводит к гибели клетки. При синтетическом летальном генетическом скрининге необходимо начать с мутации, которая не приводит к гибели клетки, хотя эффект этой мутации может привести к различному фенотипу (например, медленному росту), а затем систематически тестировать другие мутации в дополнительных локусах, чтобы определить, какая из них в сочетании с первой мутацией вызывает гибель клетки, возникающую из-за дефицита или отмены экспрессии.

Синтетическая летальность полезна для целей молекулярно-таргетной терапии рака. Первый пример молекулярно-таргетного терапевтического агента, который использовал синтетический летальный подход, возник с помощью инактивированного гена-супрессора опухоли ( BRCA1 и 2), лечение, которое получило одобрение FDA в 2016 году ( ингибитор PARP ). [2] Подслучай синтетической летальности, где уязвимости выявляются путем удаления пассажирских генов, а не супрессора опухоли, — это так называемая «сопутствующая летальность». [3]

Фон

Схема базовой синтетической летальности. Одновременные мутации в паре генов приводят к летальности, в то время как любая другая комбинация мутаций является жизнеспособной.

Феномен синтетической летальности был впервые описан Кэлвином Бриджесом в 1922 году, который заметил, что некоторые комбинации мутаций в модельном организме Drosophila melanogaster (обыкновенная плодовая мушка) приводят к летальности. [1] Теодор Добжанский ввел термин «синтетическая летальность» в 1946 году для описания того же типа генетического взаимодействия в популяциях дикого типа Drosophila . [4] Если комбинация генетических событий приводит к нелетальному снижению приспособленности, взаимодействие называется синтетической болезнью. Хотя в классической генетике термин «синтетическая летальность» относится к взаимодействию между двумя генетическими возмущениями, синтетическая летальность может также применяться к случаям, в которых комбинация мутации и действия химического соединения вызывает летальность, тогда как мутация или соединение по отдельности не являются летальными. [5]

Синтетическая летальность является следствием тенденции организмов поддерживать буферные схемы (т. е. резервные планы), которые порождают фенотипическую стабильность, несмотря на базовые генетические вариации, изменения окружающей среды или другие случайные события, такие как мутации. Эта генетическая устойчивость является результатом параллельных избыточных путей и «конденсаторных» белков , которые маскируют эффекты мутаций, так что важные клеточные процессы не зависят от какого-либо отдельного компонента. [6] Синтетическая летальность может помочь идентифицировать эти буферные отношения, а также тип заболевания или сбоя, который может возникнуть, когда эти отношения нарушаются, посредством идентификации взаимодействий генов, которые функционируют либо в одном и том же биохимическом процессе, либо в путях, которые кажутся не связанными. [7]

Высокопроизводительные экраны

Высокопроизводительные синтетические летальные скрининги могут помочь пролить свет на вопросы о том, как работают клеточные процессы без предварительного знания функции или взаимодействия генов. Стратегия скрининга должна учитывать организм, используемый для скрининга, режим генетического возмущения и является ли скрининг прямым или обратным . Многие из первых синтетических летальных скринингов были выполнены на Saccharomyces cerevisiae . Почкующиеся дрожжи имеют много экспериментальных преимуществ в скринингах, включая небольшой геном, быстрое время удвоения, как гаплоидные, так и диплоидные состояния и простоту генетических манипуляций. [8] Абляция генов может быть выполнена с использованием стратегии на основе ПЦР , и полные библиотеки коллекций нокаутов для всех аннотированных генов дрожжей общедоступны. Синтетический генетический массив (SGA), синтетическая летальность с помощью микроматрицы (SLAM) и картирование генетических взаимодействий (GIM) являются тремя высокопроизводительными методами анализа синтетической летальности в дрожжах. Карта генетического взаимодействия в масштабе генома была создана с помощью анализа SGA в S. cerevisiae , который охватывает около 75% всех генов дрожжей. [9]

Побочная летальность

Побочная летальность является частным случаем синтетической летальности в персонализированной терапии рака, где уязвимости выявляются путем удаления генов-пассажиров, а не генов-супрессоров опухолей, которые удаляются в силу хромосомной близости к основным удаленным локусам супрессоров опухолей. [3]

Недостатки DDR

Дефицит репарации несоответствий ДНК

Мутации в генах, используемых в репарации несоответствий ДНК (MMR), вызывают высокую частоту мутаций. [10] [11] В опухолях такие частые последующие мутации часто генерируют «чужие» иммуногенные антигены. Клиническое исследование фазы II на людях с 41 пациентом оценило один синтетический летальный подход для опухолей с дефектами MMR или без них. [12] В случае оцениваемых спорадических опухолей большинство из них будет иметь дефицит MMR из-за эпигенетической репрессии гена MMR (см. Репарация несоответствий ДНК ). Продукт гена PD-1 обычно подавляет цитотоксические иммунные реакции. Ингибирование этого гена обеспечивает более выраженный иммунный ответ. В этом клиническом исследовании фазы II с 47 пациентами, когда онкологические пациенты с дефектом MMR в своих опухолях подвергались воздействию ингибитора PD-1, 67% - 78% пациентов испытали иммунозависимую выживаемость без прогрессирования. Напротив, для пациентов без дефектного MMR добавление ингибитора PD-1 привело только к 11% пациентов с иммунозависимой выживаемостью без прогрессирования. Таким образом, ингибирование PD-1 в первую очередь синтетически летально при дефектах MMR.

Дефицит гена синдрома Вернера

Анализ 630 первичных опухолей человека в 11 тканях показывает, что гиперметилирование промотора WRN (с потерей экспрессии белка WRN) является обычным явлением в онкогенезе. [13] Промотор гена WRN гиперметилирован примерно в 38% случаев колоректального рака и немелкоклеточного рака легких и примерно в 20% случаев рака желудка , рака простаты , рака молочной железы , неходжкинских лимфом и хондросарком , а также на значительных уровнях в других исследованных видах рака. Белок геликазы WRN важен в гомологичной рекомбинационной репарации ДНК, а также играет роль в негомологичной репарации ДНК с присоединением концов и репарации ДНК с иссечением оснований . [14]

Ингибиторы топоизомеразы часто используются в качестве химиотерапии при различных видах рака, хотя они вызывают подавление костного мозга, являются кардиотоксичными и имеют различную эффективность. [15] В 2006 году было проведено ретроспективное исследование с длительным клиническим наблюдением пациентов с раком толстой кишки, получавших лечение ингибитором топоизомеразы иринотеканом . В этом исследовании 45 пациентов имели гиперметилированные промоторы гена WRN , а 43 пациента имели неметилированные промоторы гена WRN . [13] Иринитекан был более полезен для пациентов с гиперметилированными промоторами WRN (выживаемость 39,4 месяца), чем для пациентов с неметилированными промоторами WRN (выживаемость 20,7 месяца). Таким образом, ингибитор топоизомеразы оказался синтетически летальным при недостаточной экспрессии WRN . Дальнейшие оценки также указали на синтетическую летальность недостаточной экспрессии WRN и ингибиторов топоизомеразы. [16] [17] [18] [19] [20]

Клиническая и доклиническая летальность синтетического ингибитора PARP1

Как было рассмотрено Мурата и др. [21] , пять различных ингибиторов PARP1 в настоящее время проходят клинические испытания фазы I, II и III , чтобы определить, являются ли конкретные ингибиторы PARP1 синтетически летальными при большом количестве видов рака, включая рак простаты, поджелудочной железы, немелкоклеточные опухоли легких, лимфому, множественную миелому и саркому Юинга. Кроме того, в доклинических исследованиях с использованием клеток в культуре или внутри мышей ингибиторы PARP1 тестируются на синтетическую летальность против эпигенетических и мутационных дефицитов примерно в 20 дефектах репарации ДНК за пределами дефицитов BRCA1/2. К ним относятся дефициты PALB2 , FANCD2 , RAD51 , ATM , MRE11 , p53 , XRCC1 и LSD1 .

Доклиническая синтетическая летальность ARID1A

ARID1A , модификатор хроматина, необходим для негомологичного соединения концов , основного пути, который восстанавливает двухцепочечные разрывы в ДНК, [22] а также играет роль регулятора транскрипции. [23] Мутации ARID1A являются одними из 12 наиболее распространенных канцерогенных мутаций. [24] Мутация или эпигенетически сниженная экспрессия [25] ARID1A были обнаружены при 17 типах рака. [26] Доклинические исследования на клетках и мышах показывают, что синтетическая летальность при недостаточной экспрессии ARID1A происходит либо путем ингибирования активности метилтрансферазы EZH2, [ 27] [28] путем ингибирования киназы репарации ДНК ATR, [29] или путем воздействия ингибитора киназы дазатиниба. [30]

Доклиническая синтетическая летальность RAD52

Существует два пути гомологичной рекомбинационной репарации двухцепочечных разрывов. Основной путь зависит от BRCA1 , PALB2 и BRCA2, в то время как альтернативный путь зависит от RAD52. [31] Доклинические исследования, включающие эпигенетически редуцированные или мутировавшие клетки с дефицитом BRCA (в культуре или введенные мышам), показывают, что ингибирование RAD52 синтетически летально при дефиците BRCA . [32]

Побочные эффекты

Хотя методы лечения с использованием синтетической летальности могут остановить или замедлить прогрессирование рака и продлить выживаемость, каждый из синтетических летальных методов лечения имеет некоторые неблагоприятные побочные эффекты. Например, более 20% пациентов, лечившихся ингибитором PD-1, испытывают усталость, сыпь, зуд , кашель, диарею, снижение аппетита, запор или артралгию . [33] Таким образом, важно определить, какой дефицит DDR присутствует, чтобы можно было применять только эффективное синтетическое летальное лечение, а не подвергать пациентов неблагоприятным побочным эффектам без прямой выгоды.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Nijman SM (январь 2011 г.). «Синтетическая летальность: общие принципы, полезность и обнаружение с использованием генетических экранов в клетках человека». FEBS Letters . 585 (1): 1–6. doi :10.1016/j.febslet.2010.11.024. PMC  3018572. PMID  21094158 .
  2. ^ Лорд CJ, Эшворт А (март 2017 г.). «Ингибиторы PARP: синтетическая летальность в клинике». Science . 355 (6330): 1152–1158. Bibcode :2017Sci...355.1152L. doi :10.1126/science.aam7344. PMC 6175050 . PMID  28302823. 
  3. ^ ab Muller FL, Colla S, Aquilanti E, Manzo VE, Genovese G, Lee J, et al. (август 2012 г.). «Пассажирские делеции создают терапевтические уязвимости при раке». Nature . 488 (7411): 337–42. Bibcode :2012Natur.488..337M. doi :10.1038/nature11331. PMC 3712624 . PMID  22895339. 
  4. ^ Ferrari E, Lucca C, Foiani M (ноябрь 2010 г.). «Смертельная комбинация для раковых клеток: синтетические скрининги летальности для открытия лекарств». European Journal of Cancer . 46 (16): 2889–95. doi :10.1016/j.ejca.2010.07.031. PMID  20724143.
  5. ^ Hartwell LH, Szankasi P, Roberts CJ, Murray AW, Friend SH (ноябрь 1997 г.). «Интеграция генетических подходов в открытие противораковых препаратов». Science . 278 (5340): 1064–8. Bibcode :1997Sci...278.1064H. doi :10.1126/science.278.5340.1064. PMID  9353181.
  6. ^ Baugh LR, Wen JC, Hill AA, Slonim DK, Brown EL, Hunter CP (2005). «Синтетический летальный анализ генов задней эмбриональной паттернизации Caenorhabditis elegans выявляет консервативные генетические взаимодействия». Genome Biology . 6 (5): R45. doi : 10.1186/gb-2005-6-5-r45 . PMC 1175957 . PMID  15892873. 
  7. ^ Hartman JL, Garvik B, Hartwell L (февраль 2001 г.). «Принципы буферизации генетической изменчивости». Science . 291 (5506): 1001–4. Bibcode :2001Sci...291.1001H. doi :10.1126/science.291.5506.1001. PMID  11232561.
  8. ^ Matuo R, Sousa FG, Soares DG, Bonatto D, Saffi J, Escargueil AE и др. (октябрь 2012 г.). «Saccharomyces cerevisiae как модельная система для изучения ответа на противораковые агенты». Cancer Chemotherapy and Pharmacology . 70 (4): 491–502. doi :10.1007/s00280-012-1937-4. PMID  22851206. S2CID  8887133.
  9. ^ Costanzo M, Baryshnikova A, Bellay J, Kim Y, Spear ED, Sevier CS и др. (январь 2010 г.). «Генетический ландшафт клетки». Science . 327 (5964): 425–31. Bibcode :2010Sci...327..425C. doi :10.1126/science.1180823. PMC 5600254 . PMID  20093466. 
  10. ^ Narayanan L, Fritzell JA, Baker SM, Liskay RM, Glazer PM (апрель 1997 г.). «Повышенные уровни мутаций во множественных тканях мышей с дефицитом гена репарации несоответствий ДНК Pms2». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 94 (7): 3122–7. Bibcode : 1997PNAS...94.3122N. doi : 10.1073/pnas.94.7.3122 . PMC 20332. PMID 9096356  . 
  11. ^ Hegan DC, Narayanan L, Jirik FR, Edelmann W, Liskay RM, Glazer PM (декабрь 2006 г.). «Различные модели генетической нестабильности у мышей с дефицитом генов репарации несоответствий Pms2, Mlh1, Msh2, Msh3 и Msh6». Carcinogenesis . 27 (12): 2402–8. doi :10.1093/carcin/bgl079. PMC 2612936 . PMID  16728433. 
  12. ^ Le DT, Uram JN, Wang H, Bartlett BR, Kemberling H, Eyring AD и др. (июнь 2015 г.). «PD-1 Blockade in Tumors with Mismatch-Repair Deficiency». The New England Journal of Medicine . 372 (26): 2509–20. doi :10.1056/NEJMoa1500596. PMC 4481136. PMID  26028255 . 
  13. ^ ab Agrelo R, Cheng WH, Setien F, Ropero S, Espada J, Fraga MF и др. (июнь 2006 г.). «Эпигенетическая инактивация гена синдрома Вернера преждевременного старения при раке человека». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (23): 8822–7. Bibcode : 2006PNAS..103.8822A. doi : 10.1073/pnas.0600645103 . PMC 1466544. PMID  16723399 . 
  14. ^ Monnat RJ (октябрь 2010 г.). «Human RECQ helicases: roles in DNA metabolic, mutagenesis and cancer biology». Семинары по биологии рака . 20 (5): 329–39. doi :10.1016/j.semcancer.2010.10.002. PMC 3040982. PMID 20934517  . 
  15. ^ Pommier Y (январь 2013 г.). «Лекарственное лечение топоизомеразами: уроки и проблемы». ACS Chemical Biology . 8 (1): 82–95. doi :10.1021/cb300648v. PMC 3549721. PMID  23259582 . 
  16. ^ Wang L, Xie L, Wang J, Shen J, Liu B (декабрь 2013 г.). «Корреляция между метилированием SULF2 и промотора WRN и химиочувствительностью к иринотекану при раке желудка». BMC Gastroenterology . 13 : 173. doi : 10.1186/1471-230X-13-173 . PMC 3877991. PMID  24359226 . 
  17. ^ Bird JL, Jennert-Burston KC, Bachler MA, Mason PA, Lowe JE, Heo SJ и др. (февраль 2012 г.). «Повторное изложение чувствительности синдрома Вернера к камптотецину путем ограниченного нокдауна геликазы/экзонуклеазы WRN». Biogerontology . 13 (1): 49–62. doi :10.1007/s10522-011-9341-8. PMID  21786128. S2CID  18189226.
  18. ^ Masuda K, Banno K, Yanokura M, Tsuji K, Kobayashi Y, Kisu I и др. (октябрь 2012 г.). «Связь эпигенетической инактивации гена WRN с чувствительностью к противораковым препаратам в клетках рака шейки матки». Oncology Reports . 28 (4): 1146–52. doi :10.3892/or.2012.1912. PMC 3583574. PMID  22797812 . 
  19. ^ Futami K, Takagi M, Shimamoto A, Sugimoto M, Furuichi Y (октябрь 2007 г.). «Повышенная химиотерапевтическая активность камптотецина в раковых клетках за счет подавления WRN-хеликазы, вызванного siRNA». Biological & Pharmaceutical Bulletin . 30 (10): 1958–61. doi : 10.1248/bpb.30.1958 . PMID  17917271.
  20. ^ Futami K, Ishikawa Y, Goto M, Furuichi Y, Sugimoto M (май 2008 г.). «Роль генного продукта синдрома Вернера геликазы в канцерогенезе и устойчивости раковых клеток к генотоксинам». Cancer Science . 99 (5): 843–8. doi : 10.1111/j.1349-7006.2008.00778.x . PMC 11158842 . PMID  18312465. S2CID  21078795. 
  21. ^ Murata S, Zhang C, Finch N, Zhang K, Campo L, Breuer EK (2016). «Предикторы и модуляторы синтетической летальности: обновление ингибиторов PARP и персонализированной медицины». BioMed Research International . 2016 : 2346585. doi : 10.1155/2016/2346585 . PMC 5013223. PMID  27642590 . 
  22. ^ Watanabe R, Ui A, Kanno S, Ogiwara H, Nagase T, Kohno T, Yasui A (май 2014 г.). «Факторы SWI/SNF, необходимые для клеточной устойчивости к повреждению ДНК, включают ARID1A и ARID1B и демонстрируют взаимозависимую стабильность белков». Cancer Research . 74 (9): 2465–75. doi : 10.1158/0008-5472.CAN-13-3608 . PMID  24788099.
  23. ^ Raab JR, Resnick S, Magnuson T (декабрь 2015 г.). «Транскрипционная регуляция по всему геному, опосредованная биохимически различными комплексами SWI/SNF». PLOS Genetics . 11 (12): e1005748. doi : 10.1371/journal.pgen.1005748 . PMC 4699898. PMID  26716708 . 
  24. ^ Lawrence MS, Stojanov P, Mermel CH, Robinson JT, Garraway LA, Golub TR и др. (январь 2014 г.). «Анализ обнаружения и насыщения генов рака в 21 типе опухолей». Nature . 505 (7484): 495–501. Bibcode :2014Natur.505..495L. doi :10.1038/nature12912. PMC 4048962 . PMID  24390350. 
  25. ^ Zhang X, Sun Q, Shan M, Niu M, Liu T, Xia B и др. (2013). «Гиперметилирование промотора гена ARID1A отвечает за его низкую экспрессию мРНК во многих инвазивных видах рака молочной железы». PLOS ONE . ​​8 (1): e53931. Bibcode :2013PLoSO...853931Z. doi : 10.1371/journal.pone.0053931 . PMC 3549982 . PMID  23349767. 
  26. ^ Wu JN, Roberts CW (январь 2013 г.). «Мутации ARID1A при раке: еще один эпигенетический супрессор опухолей?». Cancer Discovery . 3 (1): 35–43. doi :10.1158/ 2159-8290.CD -12-0361. PMC 3546152. PMID  23208470. 
  27. ^ Bitler BG, Aird KM, Garipov A, Li H, Amatangelo M, Kossenkov AV и др. (март 2015 г.). «Синтетическая летальность путем воздействия на активность метилтрансферазы EZH2 при раковых заболеваниях с мутацией ARID1A». Nature Medicine . 21 (3): 231–8. doi :10.1038/nm.3799. PMC 4352133 . PMID  25686104. 
  28. ^ Kim KH, Kim W, Howard TP, Vazquez F, Tsherniak A, Wu JN и др. (декабрь 2015 г.). «Рак, вызванный мутацией SWI/SNF, зависит от каталитической и некаталитической активности EZH2». Nature Medicine . 21 (12): 1491–6. doi :10.1038/nm.3968. PMC 4886303 . PMID  26552009. 
  29. ^ Williamson CT, Miller R, Pemberton HN, Jones SE, Campbell J, Konde A и др. (декабрь 2016 г.). «Ингибиторы ATR как синтетическая летальная терапия опухолей с дефицитом ARID1A». Nature Communications . 7 : 13837. Bibcode :2016NatCo...713837W. doi :10.1038/ncomms13837. PMC 5159945 . PMID  27958275. 
  30. ^ Miller RE, Brough R, Bajrami I, Williamson CT, McDade S, Campbell J, et al. (Июль 2016 г.). «Синтетическое летальное нацеливание на мутантные ARID1A яичниковые светлоклеточные опухоли с помощью дазатиниба». Molecular Cancer Therapeutics . 15 (7): 1472–84. doi : 10.1158/1535-7163.MCT-15-0554 . PMID  27364904.
  31. ^ Lok BH, Carley AC, Tchang B, Powell SN (июль 2013 г.). «Инактивация RAD52 является синтетически летальной при дефиците BRCA1 и PALB2 в дополнение к BRCA2 через гомологичную рекомбинацию, опосредованную RAD51». Онкоген . 32 (30): 3552–8. doi :10.1038/onc.2012.391. PMC 5730454 . PMID  22964643. 
  32. ^ Cramer-Morales K, Nieborowska-Skorska M, Scheibner K, Padget M, Irvine DA, Sliwinski T и др. (август 2013 г.). «Персонализированная синтетическая летальность, вызванная нацеливанием на RAD52 при лейкозах, идентифицированных по генной мутации и профилю экспрессии». Blood . 122 (7): 1293–304. doi :10.1182/blood-2013-05-501072. PMC 3744994 . PMID  23836560. 
  33. ^ Villadolid J, Amin A (октябрь 2015 г.). «Ингибиторы иммунных контрольных точек в клинической практике: обновление по управлению иммунологической токсичностью». Translational Lung Cancer Research . 4 (5): 560–75. doi :10.3978/j.issn.2218-6751.2015.06.06. PMC 4630514. PMID  26629425 . 

Внешние ссылки


Найдите информацию о синтетической летальности в Викисловаре, бесплатном словаре.