靶向PARP-1 調(diào)控腫瘤細(xì)胞放射敏感性的研究進(jìn)展

余曉軍 左代英 侯文彬 李祎亮

1 中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院放射醫(yī)學(xué)研究所，天津市放射醫(yī)學(xué)與分子核醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 300192；2 沈陽藥科大學(xué) 121000

聚腺苷二磷酸核糖聚合酶[poly（adenosine diphosphate-ribose）polymerases，PARP]是一種能夠催化二磷酸腺苷（adenosine diphosphate，ADP）核糖向靶蛋白轉(zhuǎn)移的酶家族。PARP-1 作為一種重要因子參與到DNA 損傷修復(fù)過程中，促進(jìn)DNA修復(fù)，恢復(fù)腫瘤細(xì)胞的增殖。因此，靶向抑制PARP-1 協(xié)同DNA 損傷劑成為一種極具潛力的治療策略。我們對(duì)PARP-1 作為腫瘤細(xì)胞放射增敏靶點(diǎn)的研究進(jìn)展進(jìn)行簡單綜述。

1 PARP-1 簡介

Singh 等[1]首次從雞肝細(xì)胞核中提取出了PARP-1，其屬于腺苷酸核糖轉(zhuǎn)移酶家族，除此之外已有17 個(gè)家族成員被發(fā)現(xiàn)。由于其在保守的催化結(jié)構(gòu)域上具有同源性，因此，它們均有催化ADP 核糖轉(zhuǎn)移到自身及靶蛋白的能力[2]。其中，研究者對(duì)PARP-1 的研究最為廣泛，其結(jié)構(gòu)已得到表征，由3 個(gè)主要結(jié)構(gòu)域組成，包括由鋅指基序組成的氨基末端DNA 結(jié)合結(jié)構(gòu)域、含有乳腺癌易感蛋白C 末端（BRCT）的中央自動(dòng)修飾結(jié)構(gòu)域和高度保守的羧基末端催化結(jié)構(gòu)域[3]，這些結(jié)構(gòu)域共同介導(dǎo)PARP-1 對(duì)不同種類DNA 損傷的反應(yīng)。PARP-1 的主要作用是當(dāng)接收到DNA 損傷信號(hào)時(shí)，會(huì)以ADP的供體煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）為底物，將一種帶負(fù)電荷的聚ADP 核糖聚合物（PAR）連接到自身和其他靶蛋白上，這種翻譯后修飾有助于放松染色質(zhì)并招募修復(fù)蛋白對(duì)損傷部位進(jìn)行修復(fù)[4-5]。

2 PARP-1 的生物學(xué)功能

2.1 DNA 損傷修復(fù)

有研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，D NA 損傷劑誘導(dǎo)的DN A損傷會(huì)伴隨著PARP 活性的增加，這提供了PARP在DNA 損傷修復(fù)過程中發(fā)揮重要作用的證據(jù)[6]。早期的研究主要集中于PARP-1 參與DNA 單鏈斷裂修復(fù)和堿基切除修復(fù)，而最新的研究結(jié)果證實(shí)，PARP-1 在核苷酸切除修復(fù)、DNA 雙鏈斷裂修復(fù)（包括同源重組修復(fù)和經(jīng)典非同源末端連接修復(fù)）、錯(cuò)配修復(fù)、替代非同源末端連接和微同源介導(dǎo)的末端連接中都發(fā)揮著一定的作用[7-8]，其中具體的機(jī)制尚未得到闡明。

Bryant 等[9]和Farmer 等[10]通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)乳腺癌相關(guān)抗原或其他同源重組修復(fù)相關(guān)蛋白發(fā)生突變或缺失時(shí)，導(dǎo)致的同源重組修復(fù)缺陷細(xì)胞可以通過抑制PARP 顯著誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，并將其納入了1920 年提出的合成致死性這一概念中。之后有研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除乳腺癌相關(guān)抗原外，還有其他基因與這一機(jī)制類似，如張力蛋白同系物，其是胞內(nèi)磷脂酰肌醇激酶（PI3K）途徑的負(fù)調(diào)節(jié)因子，也可與PARP-1 協(xié)同作用引起合成致死[11]，但究其本質(zhì)也是PARP-1 通過參與DNA 損傷修復(fù)來實(shí)現(xiàn)的。

2.2 其他

參與DNA 損傷修復(fù)是PARP-1 抑制劑無論作為單藥治療還是聯(lián)合治療的主要作用基礎(chǔ)。除此之外，PARP-1 的激活還能夠穩(wěn)定復(fù)制叉、重塑染色質(zhì)結(jié)構(gòu)[12]以及通過調(diào)節(jié)代謝來誘導(dǎo)細(xì)胞程序性死亡[8]。因此，在腫瘤細(xì)胞命運(yùn)的確定中，PARP-1會(huì)通過整合細(xì)胞增殖、代謝和DNA 損傷等之間的信號(hào)發(fā)揮重要作用。

3 PARP-1 作為放射增敏靶點(diǎn)的潛在機(jī)制

最初開發(fā)PARP-1 抑制劑是以誘導(dǎo)合成致死為基礎(chǔ)，針對(duì)同源重組修復(fù)缺陷的腫瘤類型，作為單藥治療推向臨床。但是研究結(jié)果顯示，單藥治療不僅毒性大，不良反應(yīng)多，并且在治療時(shí)存在很大的局限性[13-14]。鑒于PARP-1 在DNA 損傷修復(fù)中的作用，越來越多的研究者考慮將其與傳統(tǒng)化療藥物和放療相結(jié)合，在降低各自毒性的情況下，提升整體療效。有研究者在小鼠腫瘤模型體內(nèi)驗(yàn)證了用PARP-1 抑制劑聯(lián)合紅外放射與單獨(dú)抑制劑或單獨(dú)紅外處理相比，小鼠的生存期得到延長，這提供了令人信服的證據(jù)[15]。時(shí)至今日，多項(xiàng)研究結(jié)果已證明，PARP-1 在不同類型的腫瘤中可以充當(dāng)放射增敏的靶點(diǎn)[16]。

3.1 復(fù)制期特異性增敏

Jain 和Patel[17]進(jìn)行了PARP 抑制劑對(duì)人類腫瘤細(xì)胞和嚙齒類動(dòng)物腫瘤細(xì)胞的放射增敏效果差異性比較的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，抑制劑的放射增敏效果是S 期細(xì)胞所特有的，而人類細(xì)胞在G2/M 期和G1 期的累計(jì)長度導(dǎo)致了人類S 期細(xì)胞受到輻射的機(jī)會(huì)相對(duì)較少，從而使抑制劑對(duì)人類腫瘤細(xì)胞的放射增敏效果弱于嚙齒類動(dòng)物。之后的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PARP-1 抑制劑的放射增敏作用具有S 期特異性，這不僅適用于毛細(xì)血管共濟(jì)失調(diào)突變基因缺陷的成纖維細(xì)胞[18]，而且在人肺癌、乳腺癌、人腦膠質(zhì)瘤以及頭頸癌細(xì)胞中也相繼得到驗(yàn)證[19-22]，其主要機(jī)制是通過在復(fù)制期細(xì)胞中抑制受損DNA 的修復(fù)，加劇DNA 損傷來誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。也正是因?yàn)镻ARP-1 抑制劑主要對(duì)S 期細(xì)胞有放射增敏作用，因此有團(tuán)隊(duì)比較后結(jié)果發(fā)現(xiàn)，內(nèi)源性的PARP-1沉默會(huì)比施加PARP-1 抑制劑具有更好的放射增敏作用[23]。

3.2 復(fù)制期無關(guān)性增敏

L?ser 等[18]在DNA 連接酶Ⅳ缺乏的成纖維細(xì)胞中觀察到了復(fù)制期無關(guān)性放射增敏作用。同樣地，K?tter 等[24]對(duì)比幾種不同的腫瘤細(xì)胞系后，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PARP-1 抑制劑會(huì)以一種不依賴于復(fù)制的方式增強(qiáng)細(xì)胞的放射敏感性，因?yàn)槭褂肈NA 聚合酶抑制劑阿非迪霉素（Aphidicolin）來抑制DNA 復(fù)制并不影響放射增敏效果。緊接著他們確定了這些細(xì)胞的修復(fù)方式已經(jīng)從經(jīng)典的非同源末端連接途徑轉(zhuǎn)變?yōu)楦粶?zhǔn)確的選擇性末端連接途徑，這種途徑強(qiáng)烈依賴PARP-1，這與他們之前的研究結(jié)果一致[25]。而Oing 等[26]最新的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，B 淋巴細(xì)胞瘤2 基因（Bcl-2）過表達(dá)的前列腺癌也依賴于這種選擇性末端連接途徑修復(fù)從而對(duì)PARP-1 抑制劑表現(xiàn)出放射敏感性，并證明B 淋巴細(xì)胞瘤2 基因（Bcl-2）的過表達(dá)可能介導(dǎo)了非同源末端連接途徑向選擇性末端連接途徑的轉(zhuǎn)變，這一發(fā)現(xiàn)極有可能拓寬PARP-1抑制劑在癌癥治療中的使用范圍。

3.3 影響細(xì)胞周期

Barreto-Andrade 等[27]的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PARP-1抑制劑在某些特定類型的前列腺癌細(xì)胞中會(huì)誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞的快速衰老，他們認(rèn)為衰老可能是一個(gè)增加抑制劑放射敏感性的因素。Alotaibi 等[28]在人結(jié)腸癌細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步驗(yàn)證了這一結(jié)論，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種誘導(dǎo)的衰老細(xì)胞在若干天后會(huì)恢復(fù)腫瘤增殖，這一現(xiàn)象可能解釋了PARP-1 抑制劑短暫的放射增敏效果。Mangoni 等[29]研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PARP-1 抑制劑可以增強(qiáng)橫紋肌肉瘤細(xì)胞的放射敏感性，主要表現(xiàn)為抑制腫瘤細(xì)胞的增殖，特別是抑制G2/M 期和衰老細(xì)胞比例的增加。另外他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果還支持PARP-1 抑制劑參與調(diào)節(jié)細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶（ERK1/2）信號(hào)通路的理論，這在其他細(xì)胞系中也得到了驗(yàn)證[30]。

3.4 其他

Vance 等[31]的研究首次評(píng)估了細(xì)胞周期檢查點(diǎn)激酶1（Chk1）抑制劑與PARP-1 抑制劑聯(lián)合后的放射增敏效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其可以顯著增加P53 基因突變導(dǎo)致的胰腺癌細(xì)胞的放射敏感性，且對(duì)正常細(xì)胞幾乎沒有毒性和放射增敏效果，可能機(jī)制是通過G2 檢查點(diǎn)消除和同源重組修復(fù)抑制，導(dǎo)致未修復(fù)DNA 損傷的累積。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步的研究是選取相似的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶1（Wee1）抑制劑與PARP-1 抑制劑聯(lián)合，結(jié)果同樣發(fā)現(xiàn)其可以增加對(duì)胰腺癌細(xì)胞的放射敏感性，這表明PARP-1 抑制劑與取消G2 檢查點(diǎn)的靶向藥物組合可能與輻射一起引發(fā)合成致死[32]。這一結(jié)果不僅驗(yàn)證了PARP-1 抑制劑的放射增敏效果，還引起了人們對(duì)多靶向聯(lián)合抑制劑協(xié)同增敏的濃厚興趣。類似地，Azad 等[33]將DNA 依賴性蛋白激酶抑制劑與PARP-1 抑制劑進(jìn)行聯(lián)合使用，驗(yàn)證了其在非小細(xì)胞肺癌中的放射增敏效果，結(jié)果表明，其主要放射增敏效果是通過加速細(xì)胞衰老來實(shí)現(xiàn)。

Zhou 等[34]和Chen 等[35]的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PARP-1 抑制劑可以通過一磷酸腺苷依賴的蛋白激酶（AMPK）/哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）途徑調(diào)節(jié)放射誘導(dǎo)的保護(hù)性自噬，這一結(jié)果證明輻射誘導(dǎo)的自噬是腫瘤細(xì)胞的一種保護(hù)行為，抑制PARP-1可以抑制自噬從而增加人鼻咽癌細(xì)胞的放射敏感性。另外，王維等[36]和楊瑩等[37]分別在Lewis 肺癌和子宮內(nèi)膜癌的試驗(yàn)中也驗(yàn)證了PARP-1 抑制劑的放射增敏性。這些最新的研究結(jié)果進(jìn)一步地揭示了PARP-1 作為放射增敏靶點(diǎn)在不同腫瘤中的共性和差異性，為之后的研究工作提供了思路和基礎(chǔ)。

4 面臨的挑戰(zhàn)

PARP-1 作為放射增敏靶點(diǎn)極具潛力，市場上也出現(xiàn)了高效的精準(zhǔn)化抑制劑商品。但是，目前還沒有文獻(xiàn)報(bào)道PARP-1 抑制劑與放療聯(lián)合治療的臨床數(shù)據(jù)，想要將PARP-1抑制劑協(xié)同放療應(yīng)用到臨床上還存在一些挑戰(zhàn)。

4.1 作用機(jī)制的深入研究

雖然PARP-1 對(duì)DNA 的修復(fù)很重要，但其作用機(jī)制并不清晰，難以明確其定義和分類。盡管研究者對(duì)PARP-1 與DNA 損傷修復(fù)的研究持續(xù)深入，但是仍未闡明其精準(zhǔn)的作用機(jī)制，對(duì)其上下游信號(hào)并不了解，無法為臨床使用提供有力的理論依據(jù)。此外，不同類型的腫瘤對(duì)抑制劑聯(lián)合放療呈現(xiàn)出不同的放射敏感性，腫瘤異質(zhì)性決定著抑制劑聯(lián)合放療在其中發(fā)揮作用的途徑不會(huì)完全相同，這需要研究者繼續(xù)深入探究。

4.2 預(yù)測性生物標(biāo)志物的鑒定

PARP-1 抑制劑作為單一藥物是治療乳腺癌易感基因缺陷型癌癥的有效工具，而非基因缺陷型癌癥則需要PARP-1 抑制劑聯(lián)合放療或其他手段進(jìn)行有效治療，但并不是所有DNA 修復(fù)相關(guān)或者能引起合成致死的基因都是已知的，鑒定DNA 損傷反應(yīng)蛋白和修復(fù)途徑的基因突變或許是選擇PARP-1抑制劑治療癌癥的主要標(biāo)準(zhǔn)之一。此外，通過基因特征也可以確定某一類腫瘤是否對(duì)PARP1 抑制劑有反應(yīng)。Liu 等[38]在膀胱癌模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，PARP-1 抑制劑的放射增敏效果依賴于P53 功能的喪失，多種細(xì)胞系的研究結(jié)果還表明，P53 功能缺失所介導(dǎo)的PARP-1 抑制劑放射增敏性可能與細(xì)胞系無關(guān)，這暗示了P53 有望成為一個(gè)生物標(biāo)志物，從而對(duì)PARP-1 抑制劑的增敏效果進(jìn)行預(yù)測。在這之前，Mao 等[39]研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，低劑量的PARP-1抑制劑可以使膽管癌細(xì)胞對(duì)輻射敏感，并提出輻射誘導(dǎo)的聚ADP 核糖聚合物（PAR）增加也可以預(yù)測PARP-1 抑制劑的放射增敏性。這些結(jié)果只在部分腫瘤中驗(yàn)證了可行性，所以繼續(xù)尋找并確定可靠的具有特異性的預(yù)測性生物標(biāo)志物，將有助于PARP-1 抑制劑治療策略的選擇。

5 小結(jié)與展望

回顧之前大量的實(shí)驗(yàn)成果，我們有理由相信PARP-1 抑制劑在不久之后會(huì)被開發(fā)成為放射增敏劑并走向臨床。但在此之前仍迫切地需要研究者對(duì)PARP-1 抑制劑與放療聯(lián)合治療的有效性和安全性進(jìn)行廣泛地研究，且針對(duì)不同的腫瘤進(jìn)行深入研究，探索聯(lián)合治療策略在不同類型腫瘤中所發(fā)揮的作用及具體機(jī)制，為其早日走向臨床試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

利益沖突本研究由署名作者按以下貢獻(xiàn)聲明獨(dú)立開展，不涉及任何利益沖突。

作者貢獻(xiàn)聲明余曉軍負(fù)責(zé)綜述的撰寫和修訂；左代英、侯文彬負(fù)責(zé)文獻(xiàn)的收集與整理；李祎亮負(fù)責(zé)綜述命題的設(shè)計(jì)和審閱。