前言

在過去的幾十年中，對DNA損傷反應(yīng)（DDR）途徑的理解不斷加深，拓寬了腫瘤學(xué)的治療領(lǐng)域。越來越清楚的是，DNA損傷反應(yīng)缺陷導(dǎo)致的細(xì)胞基因組不穩(wěn)定性導(dǎo)致了癌癥的發(fā)生。另一方面，這些缺陷也可以作為一個治療機(jī)會。越來越多的DDR靶向藥物已迅速擴(kuò)展到參與DDR途徑的多個成員的抑制劑，包括PARP、ATM、ATR、CHK1、WEE1和DNA-PK。

目前，這些DDR成分的抑制劑，其中一些正處于臨床研究中。此外，新的證據(jù)表明DDR抑制劑對傳統(tǒng)癌癥治療的敏感性，以及DDR途徑和免疫檢查點抑制劑（ICI）反應(yīng)之間的相關(guān)性，這些都促進(jìn)基于DDR抑制劑的聯(lián)合治療。靶向DNA修復(fù)途徑的藥物正在腫瘤治療領(lǐng)域顯示出越來越大的作用。

DNA損傷與DNA損傷反應(yīng)

為了保持基因組的完整性，復(fù)雜的DNA修復(fù)系統(tǒng)被用來對抗各種形式的DNA損傷，這些機(jī)制被稱為DNA損傷反應(yīng)。DDR通路分為三個功能上相互交織的部分：檢測DNA損傷的傳感器、觸發(fā)信號級聯(lián)的信號轉(zhuǎn)換器和阻礙DNA修復(fù)的效應(yīng)器。這些途徑不是相互排斥的過程，而是相互協(xié)調(diào)，形成DNA修復(fù)的精確調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。            

堿基切除修復(fù)（BER）和核苷酸切除修復(fù)（NER）

所有生物體的基因組都在不斷地經(jīng)歷微妙的變化，這是由于內(nèi)源性產(chǎn)生的各種基因毒物，如活性氧（ROS）、電離輻射以及烷基化劑等環(huán)境損傷所致。DNA中的大多數(shù)細(xì)微變化，如單鏈斷裂（SSB），都是通過BER途徑修復(fù)的。

BER首先由受損的堿基啟動，然后切除堿基并用新合成的DNA替換。然后，脫嘌呤/脫嘧啶核酸內(nèi)切酶（APE）切割A(yù)P位點，在損傷位點形成3′OH末端。最后，DNA聚合酶和DNA連接酶在去除損傷堿基產(chǎn)生的核苷酸缺口處被招募，從而封閉缺口。BER負(fù)責(zé)修復(fù)小損傷，而使DNA螺旋結(jié)構(gòu)變形的較大的雙鏈斷裂（DSB）則需要NER途徑修復(fù)。NER機(jī)制涉及一種關(guān)鍵蛋白質(zhì)，即切除修復(fù)交叉互補(bǔ)蛋白1（ERCC1），它會清除斷裂點附近的DNA，然后用正常的DNA復(fù)制進(jìn)行替換。

同源重組（HR）和非同源末端連接（NHEJ）

在哺乳動物細(xì)胞中，HR和NHEJ是修復(fù)DSB的兩條主要途徑。由于同源姐妹染色單體是新DNA合成所需的模板，HR途徑可以在S/G2細(xì)胞周期階段修復(fù)DSB，而NHEJ在除M期外的所有細(xì)胞周期階段都是活躍的。

HR分析來自基因組其他部分的同源序列，收集斷裂位點丟失的信息。HR首先切除斷裂端，隨后通過Brca2和Rad51形成Rad51核蛋白絲，開始檢索同源序列，并促進(jìn)斷裂DNA和同源模板之間形成連接分子，完成修復(fù)。

NHEJ比HR更簡單一些，直接將斷裂端重新連接在一起。NHEJ所需的基本因子是由Ku70/Ku80和DNA依賴性蛋白激酶的催化亞單位（DNA-PKcs）組成的異二聚體，其識別DSB并促進(jìn)NHEJ的下游信號因子，如XRCC4、XLF和DNA連接酶IV。雖然NHEJ機(jī)制較為簡單，但有時會導(dǎo)致重排，而HR被認(rèn)為不會產(chǎn)生錯誤。

除HR和NHEJ外，一種DSB修復(fù)途徑與這兩個主要DSB修復(fù)途徑具有相似的機(jī)制，但在遺傳上不同，稱為替代末端連接（a-EJ）途徑。a-EJ途徑既可以與HR共享類似的起始過程，也可以與NHEJ一樣組成無同源模板的DNA末端連接因子。目前，越來越多的研究開始關(guān)注a-EJ通路作為NHEJ或HR活性受損癌細(xì)胞的潛在治療靶點。

錯配修復(fù)（MMR）

除了暴露于基因毒素的細(xì)胞所產(chǎn)生的損傷外，DNA損傷也可能來自異常的DNA處理。針對復(fù)制相關(guān)錯誤的DNA修復(fù)途徑稱為MMR。在DNA合成過程中，MMR糾正核苷酸錯誤整合，從而防止分裂細(xì)胞中永久性的DNA改變。因此，基因突變或表觀遺傳沉默導(dǎo)致的MMR缺陷可能導(dǎo)致自發(fā)突變的發(fā)生率增加，這通常與遺傳性和散發(fā)性癌癥有關(guān)。

跨損傷合成與模板置換

DNA損傷耐受性（DDT）作為修復(fù)復(fù)制停滯DNA損傷的一種基本旁路機(jī)制，允許DNA復(fù)制穿過阻礙元件�？鐡p傷合成（TLS）是兩種不同的DDT模式之一，取決于一種特殊的TLS聚合酶的功能，而不是復(fù)制性DNA聚合酶，其可以直接跨過損傷部位復(fù)制。由于TLS聚合酶的校對活性不足，TLS機(jī)制是容易出錯的，這增加了突變的風(fēng)險。毫不奇怪，TLS是細(xì)胞突變的主要來源。

相反，DDT的另一種模式，即模板置換（TS），涉及在姐妹染色單體上重組到同源DNA模板，這類似于HR過程，被認(rèn)為比TLS更準(zhǔn)確。TLS和TS的修復(fù)活動開始于復(fù)制叉之后，這表明它們可能發(fā)生在DNA復(fù)制期間或之后，TS開始于S期早期，TLS開始于S期晚期。

范可尼貧血（FA）途徑

范可尼貧血是一種罕見的遺傳病，由范可尼基因的雙等位基因突變引起，受影響的患者伴有對DNA損傷的反應(yīng)不足。范科尼貧血已被確定為一種DNA修復(fù)途徑，可清除阻礙DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的屏障，即DNA鏈間交聯(lián)（ICL）。

ICL可由醛類在多種代謝反應(yīng)（如脂質(zhì)過氧化和乙醇代謝）和化療（如鉑）期間形成。而鏈內(nèi)交聯(lián)通過NER途徑修復(fù)，而ICL主要通過FA途徑修復(fù)。通過UHRF1蛋白和FANCM–MHF1–MHF2復(fù)合物檢測ICL后，F(xiàn)A核心復(fù)合物被招募到染色質(zhì)中，并單泛素化底物FANCI和FANCD2。泛素化FANCD2-I為各種DNA內(nèi)切酶招募支架蛋白，從而完成對交聯(lián)處DNA的識別和核苷酸的切除，從而得到適合重組修復(fù)的DNA底物。

O6-甲基鳥嘌呤-DNA甲基轉(zhuǎn)移酶途徑

眾所周知，DNA甲基化劑能夠抑制DNA甲基化并產(chǎn)生廣泛的DNA加合物，如O6-甲基鳥嘌呤（O6MeG）和O4-甲基胸腺嘧啶，這可能導(dǎo)致堿基錯配和隨后的點突變。其中，O6MeG被認(rèn)為是甲基化劑誘導(dǎo)的DNA加合物的主要來源，可導(dǎo)致突變和致癌。

O6MeG可以通過O6-甲基鳥嘌呤-DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（也稱為MGMT）在單步自殺反應(yīng)中修復(fù)。MGMT將受損鳥嘌呤O6位點的甲基轉(zhuǎn)移到半胱氨酸殘基，從而防止基因突變�？梢韵胂螅琈GMT降低了烷化劑在癌細(xì)胞中的作用，可能導(dǎo)致化療耐藥。MGMT啟動子的甲基化會阻礙其轉(zhuǎn)錄，因此可以用來提高細(xì)胞對烷化劑的敏感性。

DDR治療應(yīng)用的機(jī)制

與正常細(xì)胞相比，腫瘤細(xì)胞對DNA損傷敏感性增加的潛在機(jī)制在于三個主要方面：至少一條DDR途徑的缺陷、復(fù)制應(yīng)激的升高和內(nèi)源性DNA損傷的增加。

DDR缺陷

盡管DDR缺陷與癌癥的發(fā)生和發(fā)展有關(guān)，但DDR途徑中的缺陷也為靶向腫瘤細(xì)胞提供了治療機(jī)會。攜帶DDR缺陷的腫瘤細(xì)胞導(dǎo)致基因組不穩(wěn)定性增強(qiáng)，并依賴剩余的DDR途徑生存。作為一種治療方法，剩余DNA修復(fù)途徑的組合靶向產(chǎn)生了一種被稱為“合成致死”的概念。

合成致死的概念基于兩個同時發(fā)生的功能喪失遺傳事件，其中任何一個單獨都不會導(dǎo)致?lián)p傷，而是共同作用導(dǎo)致細(xì)胞死亡。當(dāng)癌細(xì)胞特有的DDR途徑發(fā)生一種基因改變時，由DDR抑制劑引起的第二種功能喪失事件將在不影響正常細(xì)胞的情況下對癌細(xì)胞合成致死。

復(fù)制應(yīng)激

真核細(xì)胞復(fù)雜的DNA復(fù)制系統(tǒng)在細(xì)胞分裂過程中受到細(xì)胞周期中各種蛋白質(zhì)的嚴(yán)格調(diào)控。許多DNA核苷酸需要精確聚合以確保細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)。阻礙或終止復(fù)制叉進(jìn)展的內(nèi)源性或外源性障礙激活保守的細(xì)胞反應(yīng)途徑，稱為復(fù)制應(yīng)激。

復(fù)制應(yīng)激的分子機(jī)制是DNA聚合酶的進(jìn)展停滯和隨后DNA聚合與DNA解旋酶的解偶聯(lián)。誘導(dǎo)復(fù)制應(yīng)激的一個例子是G1/S細(xì)胞周期檢查點缺陷，其原因可能是pRb功能喪失、CDKN2A缺失或細(xì)胞周期蛋白D1或細(xì)胞周期蛋白E擴(kuò)增。 

內(nèi)源性DNA損傷

一些內(nèi)源性性DNA損傷是中性pH條件下低濃度氫離子和氫氧根離子的作用造成的，如脫嘌呤和脫嘧啶作用。細(xì)胞內(nèi)環(huán)境對于染色體DNA來說，還具有其他危險，其中最嚴(yán)重的來自氧化過程，在線粒體產(chǎn)生的一些中間產(chǎn)物，如ROS，可能會從線粒體滲出，進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)。這樣的中間產(chǎn)物包括超氧離子、過氧化氫和羥自由基。在腫瘤代謝中，低PH值、缺氧和高水平的ROS在腫瘤微環(huán)境（TME）中普遍存在。

靶向DNA修復(fù)途徑的抑制劑

目前利用DDR缺陷的抗癌策略在很大程度上是通過開發(fā)抑制DNA修復(fù)過程中分子的靶向藥物來解決的。

聚ADP-核糖聚合酶（PARP）抑制劑

PARP抑制劑的發(fā)展是合成致死的典型代表。PARP1和PARP2是關(guān)鍵的DDR酶，通過帶負(fù)電荷的聚ADP-核糖（PAR）鏈修飾靶蛋白，感知DNA損傷并傳遞信號。PARP1與受損DNA結(jié)合后的結(jié)構(gòu)變化激活其催化功能，促進(jìn)DNA修復(fù)效應(yīng)分子的招募和DNA損傷部位周圍染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)重塑，而染色質(zhì)的動態(tài)重塑將在很大程度上影響DNA修復(fù)的效率。              

鑒于PARP在促進(jìn)DNA有效修復(fù)中的關(guān)鍵作用，PARP抑制劑可以選擇性地殺死同源重組缺陷的腫瘤細(xì)胞。PARP抑制劑是BRCA突變腫瘤的一種很有前途的治療策略。

聚ADP-核糖水解酶（PARG）抑制劑

PARG通過在DNA損傷后水解PAR核糖鍵來逆轉(zhuǎn)PARP酶的作用。同樣，PARG在DNA復(fù)制和修復(fù)中的積極作用導(dǎo)致PARG缺陷細(xì)胞對DNA損傷劑的敏感性增加。盡管大量研究表明PARP抑制劑與合成致死率之間存在相關(guān)性，但對PARG抑制劑治療機(jī)制的研究卻相對滯后。

據(jù)報道，乳腺癌細(xì)胞中HR蛋白（如BRCA1/2）的缺失可刺激PARG抑制細(xì)胞的合成致死性，PARG抑制劑COH34可誘導(dǎo)BRCA突變或?qū)�奧拉帕利耐藥的卵巢癌和乳腺癌細(xì)胞死亡。然而，在其他癌細(xì)胞中報告了相互矛盾的結(jié)果。在六個測試的乳腺癌細(xì)胞系中，只有一個BRCA缺陷的細(xì)胞系對PARG抑制劑PDD00017273敏感，而五個細(xì)胞系對PDD00017273（包括BRCA突變的細(xì)胞系）無效。

共濟(jì)失調(diào)毛細(xì)血管擴(kuò)張突變蛋白（ATM）抑制劑

DDR信號級聯(lián)由一系列蛋白磷酸化驅(qū)動，ATM、ATR和DNA-PKs是參與該過程的關(guān)鍵激酶。被DNA雙鏈斷裂激活，ATM被MRE11-RAD50-NBS1（MRN）復(fù)合物招募到DSB位點。ATM底物包括p53、CHK1和CHK2，它們的磷酸化將導(dǎo)致S內(nèi)或G2/M細(xì)胞周期阻滯。

盡管ATM在DNA修復(fù)等多種分子過程中起著典型作用，但它也具有非典型功能，包括剪接體置換。ATM被認(rèn)為是腫瘤抑制因子，ATM缺陷或突變在實體瘤和B細(xì)胞淋巴瘤中比較常見。ATM突變可能導(dǎo)致共濟(jì)失調(diào)毛細(xì)血管擴(kuò)張癥，這是一種神經(jīng)退行性疾病，其容易導(dǎo)致癌癥。目前有幾種ATM抑制劑正在研究用于癌癥治療。

共濟(jì)失調(diào)毛細(xì)血管擴(kuò)張癥和Rad3相關(guān)蛋白（ATR）抑制劑

與由DSB觸發(fā)的ATM不同，ATR被復(fù)制蛋白A（RPA）包裹的單鏈DNA激活并被招募。單鏈DNA可以通過DSB的核溶解處理以及復(fù)制DNA解旋酶與DNA聚合酶的解偶聯(lián)產(chǎn)生。細(xì)胞內(nèi)ATR信號涉及一系列下游分子的磷酸化，觸發(fā)廣泛的反應(yīng)，包括阻斷細(xì)胞周期檢查點、DDR和細(xì)胞凋亡。

與其他DDR蛋白如PARP相比，ATR抑制劑的開發(fā)相對滯后。原因可能包括ATR分子的大尺寸和對其晶體結(jié)構(gòu)缺乏了解。此外，其在所有PIKK中的高度同源活性位點以及對共激活蛋白的需求進(jìn)一步限制了其藥物設(shè)計。

CHK1抑制劑

檢查點激酶CHK1通過磷酸化和招募一系列調(diào)節(jié)蛋白，積極參與ATR和ATM啟動的DNA損傷反應(yīng)。CHK1通過磷酸化CDC25A來調(diào)節(jié)S期內(nèi)檢查點，導(dǎo)致CDC25A降解，隨后S期細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶2（CDK2）活性降低，CHK1對CDC25C和WEE1的磷酸化調(diào)節(jié)有絲分裂和G2/M檢查點。此外，CHK1還磷酸化Thr-309上的RAD51，促進(jìn)其在HR期間與BRCA2的相互作用。CHK1水平升高與更差的預(yù)后、疾病復(fù)發(fā)和治療抵抗相關(guān)，這進(jìn)一步支持CHK1抑制的治療潛力。

WEE1抑制劑

作為對DNA損傷的反應(yīng)，激活的ATR使Chk1磷酸化，Chk1又使WEE1和CDC25磷酸化。與活性被磷酸化抑制的CDC25相比，WEE1被激活，然后磷酸化下游CDK1上的Tyr15和Thr14以抑制其活性，導(dǎo)致G2/M周期阻滯，為DNA損傷修復(fù)留出時間。此外，通過磷酸化CDK1上的Tyr15，WEE1還可以在DNA復(fù)制完成之前阻止S期向G2期的進(jìn)展。

雖然WEE1抑制劑的原理是明確的，但其臨床應(yīng)用受到其治療窗口的限制。目前，大多數(shù)臨床研究集中于WEE1抑制與化療藥物的聯(lián)合應(yīng)用。

DNA-PK抑制劑

DNA依賴性蛋白激酶是一個由DNA激活的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，大量表達(dá)在幾乎所有哺乳動物的細(xì)胞中。DNA-PK是DNA修復(fù)的關(guān)鍵蛋白激酶， 參與了NHEJ的過程 。在各種腫瘤類型（包括胃腸道癌、肺癌和肝細(xì)胞癌）中都觀察到DNA-PK表達(dá)上調(diào)，并且與較高的腫瘤分級和不良預(yù)后相關(guān)。

DNA-PK抑制劑的開發(fā)主要集中在DNA-PKcs的催化活性上，而新的抗DNA-PKcs方法，如DNA-PKcs抑制性microRNA或靶向Ku異二聚體的抑制劑，則基于ATP結(jié)合位點的同源模型。目前，大多數(shù)DNA-PK抑制劑的臨床研究集中在與癌癥化療或放療聯(lián)合使用的效果。

小結(jié)

細(xì)胞對DNA損傷的反應(yīng)是一個復(fù)雜的過程，涉及各種信號網(wǎng)絡(luò)和蛋白質(zhì)，它們在特定的癌癥類型中被差異激活或失活。腫瘤中增加的復(fù)制應(yīng)激和DNA修復(fù)缺陷為我們治療癌癥提供了機(jī)會，使得癌細(xì)胞比正常細(xì)胞更容易受到DDR抑制。

目前，以PARP抑制劑為典型的靶向DDR途徑的藥物已經(jīng)走向臨床應(yīng)用，并且在腫瘤治療中展現(xiàn)出令人鼓舞的前景。進(jìn)一步，確定這些DDR抑制劑的最佳劑量、組合和時間表，減少不良反應(yīng)，更理想地提高療效將是未來的方向。此外，對每一種腫瘤進(jìn)行表征，以確定其失控的DDR成分的具體特征，將有助于癌癥患者的個性化治療。

參考文獻(xiàn)：

1.  Targeting DNA repair pathway in cancer:Mechanisms and clinical application. MedComm (2020). 2021 Dec; 2(4):654–691.

       原文標(biāo)題 : DNA損傷修復(fù)途徑及藥物開發(fā)