Śmiertelność syntetyczna

Śmiertelność syntetyczną definiuje się jako rodzaj interakcji genetycznej, w której połączenie dwóch zdarzeń genetycznych skutkuje śmiercią komórki lub organizmu. Chociaż powyższe wyjaśnienie jest szersze niż to, często odnosząc się do śmiertelności syntetycznej, należy rozumieć sytuację wynikającą z połączenia niedoborów dwóch lub więcej genów prowadzących do śmierci komórki (na drodze apoptozy lub w inny sposób), podczas gdy niedobór tylko jednego z tych genów nie. W syntetycznym śmiercionośnym ekranie genetycznym , konieczne jest rozpoczęcie od mutacji, która nie powoduje śmierci komórki, chociaż efekt tej mutacji może skutkować różnym fenotypem (na przykład powolnym wzrostem), a następnie systematycznie testować inne mutacje w dodatkowych loci, aby określić, które w połączenie z pierwszą mutacją powoduje śmierć komórki wynikającą z niedoboru lub zniesienia ekspresji.

Syntetyczna śmiertelność ma zastosowanie w celowanej molekularnie terapii przeciwnowotworowej. Pierwszy przykład środka terapeutycznego ukierunkowanego molekularnie, który wykorzystywał syntetyczne śmiertelne podejście, powstał za pomocą inaktywowanego genu supresorowego nowotworu ( BRCA1 i 2), leczenia, które uzyskało aprobatę FDA w 2016 r. ( inhibitor PARP ). Podprzypadkiem syntetycznej śmiertelności, w którym luki są ujawniane przez usunięcie genów pasażerskich, a nie supresorów nowotworów, jest tak zwana „śmiertelność uboczna”.

Tło

Schemat podstawowej syntetycznej letalności. Jednoczesne mutacje w parze genów nadają śmiertelność, podczas gdy każda inna kombinacja mutacji jest opłacalna.

Zjawisko syntetycznej śmiertelności zostało po raz pierwszy opisane przez Calvina Bridgesa w 1922 r., który zauważył, że niektóre kombinacje mutacji w organizmie modelowym Drosophila melanogaster (muszka owocowa) nadają śmiertelność. Theodore Dobzhansky ukuł termin „śmiertelność syntetyczna” w 1946 r., Aby opisać ten sam typ interakcji genetycznych w dzikich populacjach Drosophila . Jeśli kombinacja zdarzeń genetycznych skutkuje nieśmiercionośnym zmniejszeniem sprawności, interakcja ta nazywana jest chorobą syntetyczną. Chociaż w genetyce klasycznej termin syntetyczna śmiertelność odnosi się do interakcji między dwoma zaburzeniami genetycznymi, syntetyczna śmiertelność może również odnosić się do przypadków, w których połączenie mutacji i działania związku chemicznego powoduje śmiertelność, podczas gdy sama mutacja lub związek nie są śmiertelny.

Śmiertelność syntetyczna jest konsekwencją tendencji organizmów do utrzymywania schematów buforowania (tj. planów awaryjnych), które zapewniają stabilność fenotypową niezależnie od podstawowych zmian genetycznych, zmian środowiskowych lub innych zdarzeń losowych, takich jak mutacje. Ta odporność genetyczna jest wynikiem równoległych nadmiarowych ścieżek i białek „kondensatorowych”. które kamuflują skutki mutacji, tak że ważne procesy komórkowe nie zależą od żadnego pojedynczego składnika. Syntetyczna śmiertelność może pomóc zidentyfikować te relacje buforujące oraz rodzaj choroby lub nieprawidłowego działania, które mogą wystąpić, gdy te relacje się zepsują, poprzez identyfikację interakcji genów, które działają w tym samym procesie biochemicznym lub szlakach, które wydają się być niepowiązane.

Ekrany o dużej przepustowości

Wysokowydajne syntetyczne śmiercionośne ekrany mogą pomóc wyjaśnić pytania dotyczące działania procesów komórkowych bez wcześniejszej wiedzy na temat funkcji lub interakcji genów. Strategia badań przesiewowych musi uwzględniać organizm użyty do badań przesiewowych, tryb zaburzeń genetycznych oraz to, czy ekran jest skierowany do przodu , czy do tyłu . Wiele z pierwszych syntetycznych badań przesiewowych śmierci przeprowadzono na S. cerevisiae. Pączkujące drożdże mają wiele zalet eksperymentalnych na ekranach, w tym mały genom, szybki czas podwojenia, zarówno stany haploidalne, jak i diploidalne oraz łatwość manipulacji genetycznych. Ablację genów można przeprowadzić za pomocą PCR oparta na strategii i kompletne biblioteki kolekcji nokautów dla wszystkich opisanych genów drożdży są publicznie dostępne. Syntetyczna macierz genetyczna (SGA), syntetyczna śmiertelność za pomocą mikromacierzy (SLAM) i mapowanie interakcji genetycznych (GIM) to trzy wysokowydajne metody analizy syntetycznej śmiertelności w drożdżach. Mapa interakcji genetycznych w skali genomu została stworzona przez analizę SGA w S. cerevisiae , która zawiera około 75% wszystkich genów drożdży.

Uboczna śmiertelność

Śmiertelność uboczna jest podprzypadkiem syntetycznej śmiertelności w spersonalizowanej terapii przeciwnowotworowej, w której luki są ujawniane przez usunięcie genów pasażerskich, a nie genów supresorowych guza, które są usuwane ze względu na bliskość chromosomów do głównych usuniętych loci supresorowych guza.

Braki DDR

Niedobór naprawy niedopasowania DNA

Mutacje w genach wykorzystywanych w naprawie niedopasowania DNA (MMR) powodują wysoki wskaźnik mutacji. W nowotworach takie częste kolejne mutacje często generują „obce” antygeny immunogenne. W badaniu klinicznym fazy II na ludziach, z udziałem 41 pacjentów, oceniono jedno syntetyczne śmiertelne podejście do guzów z defektami MMR lub bez nich. W przypadku ocenianych sporadycznych guzów większość byłaby z niedoborem MMR z powodu epigenetycznej represji genu MMR (patrz naprawa niedopasowania DNA ). Produkt genu PD-1 zwykle tłumi cytotoksyczne odpowiedzi immunologiczne. Zahamowanie tego genu pozwala na większą odpowiedź immunologiczną. W tym badaniu klinicznym fazy II z udziałem 47 pacjentów, kiedy pacjenci z rakiem z defektem MMR w guzach byli narażeni na inhibitor PD-1, 67% - 78% pacjentów przeżyło bez progresji związanej z układem odpornościowym. W przeciwieństwie do pacjentów bez wadliwego MMR, dodanie inhibitora PD-1 wygenerowało tylko 11% pacjentów z przeżyciem wolnym od progresji związanej z układem odpornościowym. Tak więc hamowanie PD-1 jest przede wszystkim syntetycznie śmiertelne w przypadku defektów MMR.

Niedobór genu zespołu Wernera

Analiza 630 ludzkich guzów pierwotnych w 11 tkankach pokazuje, że hipermetylacja promotora WRN (z utratą ekspresji białka WRN) jest częstym zjawiskiem w nowotworzeniu. Promotor WRN jest hipermetylowany w około 38% przypadków raka jelita grubego i niedrobnokomórkowego raka płuc oraz w około 20% przypadków raka żołądka , raka prostaty , raka piersi , chłoniaków nieziarniczych i chrzęstniakomięsaków , plus na znaczących poziomach w innych ocenianych nowotworach. Białko WRN jest ważne w homologicznej rekombinacyjnej naprawie DNA, a także odgrywa rolę w naprawie niehomologicznego łączenia końców DNA i naprawie DNA przez wycięcie zasad .

Inhibitory topoizomerazy są często stosowane w chemioterapii różnych nowotworów, chociaż powodują supresję szpiku kostnego, są kardiotoksyczne i mają zmienną skuteczność. W 2006 roku przeprowadzono retrospektywne badanie z długą obserwacją kliniczną pacjentów z rakiem okrężnicy leczonych inhibitorem topoizomerazy irynotekanem . W tym badaniu 45 pacjentów miało hipermetylowane promotory genu WRN , a 43 pacjentów miało niemetylowane promotory genu WRN . Irynitekan był bardziej korzystny dla pacjentów z hipermetylowanym WRN promotorów (przeżycie 39,4 miesiąca) niż w przypadku niemetylowanych promotorów WRN (przeżycie 20,7 miesiąca). Zatem inhibitor topoizomerazy okazał się syntetycznie letalny przy niedostatecznej ekspresji WRN . Dalsze oceny wykazały również syntetyczną śmiertelność niedoboru ekspresji WRN i inhibitorów topoizomerazy.

Kliniczna i przedkliniczna syntetyczna śmiertelność inhibitora PARP1

Jak omówili Murata i wsp., pięć różnych inhibitorów PARP1 przechodzi obecnie badania kliniczne fazy I, II i III , w celu ustalenia, czy poszczególne inhibitory PARP1 są syntetycznie śmiertelne w wielu różnych nowotworach, w tym raka prostaty, trzustki, innych niż drobnokomórkowe guzy płuc, chłoniak, szpiczak mnogi i mięsak Ewinga. Ponadto, w badaniach przedklinicznych z wykorzystaniem komórek w hodowli lub w obrębie myszy, inhibitory PARP1 są testowane pod kątem syntetycznej śmiertelności przeciwko niedoborom epigenetycznym i mutacyjnym w około 20 defektach naprawy DNA poza niedoborami BRCA1/2. Należą do nich braki w PALB2 , FANCD2 , RAD51 , ATM , MRE11 , p53 , XRCC1 i LSD1 .

Przedkliniczna śmiertelność syntetyczna ARID1A

ARID1A , modyfikator chromatyny, jest wymagany do łączenia niehomologicznych końców , głównego szlaku, który naprawia pęknięcia dwuniciowe w DNA, a także pełni rolę regulacyjną transkrypcji. Mutacje ARID1A są jedną z 12 najczęstszych mutacji rakotwórczych. Mutacja lub epigenetycznie obniżona ekspresja ARID1A została znaleziona w 17 rodzajach raka. Badania przedkliniczne na komórkach i myszach pokazują, że syntetyczna śmiertelność dla niedoboru ARID1A Ekspresja zachodzi albo przez hamowanie aktywności metylotransferazy EZH2, przez hamowanie kinazy naprawy DNA ATR, albo przez ekspozycję na inhibitor kinazy, dazatynib.

Przedkliniczna śmiertelność syntetyczna RAD52

Istnieją dwa szlaki homologicznej rekombinacyjnej naprawy pęknięć dwuniciowych. Główny szlak zależy od BRCA1 , PALB2 i BRCA2 , podczas gdy szlak alternatywny zależy od RAD52. Badania przedkliniczne, obejmujące epigenetycznie zredukowane lub zmutowane BRCA (w hodowli lub wstrzyknięte myszom), pokazują, że hamowanie RAD52 jest syntetycznie śmiertelne w przypadku niedoboru BRCA .

Skutki uboczne

Chociaż terapie wykorzystujące syntetyczną śmiertelność mogą zatrzymać lub spowolnić postęp raka i przedłużyć przeżycie, każda z syntetycznych śmiercionośnych terapii ma pewne niepożądane skutki uboczne. Na przykład ponad 20% pacjentów leczonych inhibitorem PD-1 doświadcza zmęczenia, wysypki, świądu , kaszlu, biegunki, zmniejszenia apetytu, zaparcia lub bólu stawów . Dlatego ważne jest, aby określić, jaki niedobór DDR występuje, aby można było zastosować tylko skuteczną syntetyczną śmiertelną terapię i nie narażać niepotrzebnie pacjentów na niepożądane skutki uboczne bez bezpośredniej korzyści.

Zobacz też

Linki zewnętrzne