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肿瘤药物抗性研究的新方法

作者:Katharina Schlacher来源:Nature

肿瘤治疗的抗性情况变化是患者死亡率的主要预测指标。因此,了解耐药机制是改善治疗效果的关键。

科学家He等人在卵巢癌细胞中发现的一种耐药机制,这种耐药机制包含BRCA1基因的突变版本。

BRCA1和BRCA2基因的突变可通过使确保基因组稳定性的两个主要生物学途径中的任何一条失活,而导致乳腺癌和卵巢癌。

其中一条途径通过所谓同源重组(HR)修复DNA双链断裂。另一个过程叫做叉保护,它保护在DNA复制过程中出现的、称为停滞叉的结构上新合成的DNA。

在HR修复中,一个重要步骤是通过核酸酶处理双链断裂,以产生单链DNA(SS DNA)。BRCA1是协调核酸酶募集的关键调节蛋白,包括MRE11-RAD50-NBS1蛋白复合物。

BRCA1在HR修复中也具有第二个作用:它招集BRCA2,BRCA2又将RAD51蛋白加载到单链DNA上。RAD51有助于将单链DNA结合到互补链上,作为无错误修复的模板。

具有某些BRCA1或BRCA2突变的癌细胞不能修复目前临床上使用抗癌药物引起的双链断裂,因此癌细胞在治疗时死亡。

这些药物包括顺铂和PARP抑制剂(PARPi,通过利用BRCA突变肿瘤的断裂修复缺陷来特异性靶向它们的药物)。

然而,癌细胞可以获得规避药物作用的策略,引起耐药性,并限制这些最初有效的药物的使用。

He等人采用基因编辑筛选法,鉴定BRCA1突变卵巢癌细胞的耐药机制。

BRCA1-突变体和BRCA2-突变体细胞中已知的抗性途径是:通过重新突变原始BRCA突变,来恢复BRCA功能(图1a)。

第二种机制是药物逃避,其中膜蛋白将药物泵出细胞或减少其摄取。

He和同事经过筛选,鉴定出与肿瘤细胞摄取顺铂相关的膜蛋白是导致耐药性的一个因素,从而验证了该方法的适用性。

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图1 包含BRCA突变的癌细胞的耐药机制。

许多癌细胞在BRCA1或BRCA2基因中有突变。这些突变使DNA修复途径失活,该途径涉及一种称为同源重组(HR)的过程,或称为DNA复制中的叉保护过程。

a. BRCA突变的癌细胞已经发展出许多不同的途径, 来抵抗被癌症药物杀死,包括:通过利用膜蛋白将药物泵出细胞来避开药物;通过使核酸酶失活来恢复叉状保护;

将原始BRCA突变进行再突变,恢复BRCA蛋白的功能;恢复HR修复,例如通过使BRCA1突变细胞中的53BP1蛋白失活,以允许核酸酶访问DNA。

在这里,抗性细胞来自同一颜色的非抗性细胞。

b.   He等人发现,在BRCA1突变细胞、但不是在BRCA2突变癌细胞中,DYNLL1蛋白的失活激活核酸酶,从而恢复HR修复。


重要的是,筛选出的对顺铂和PARPI都产生耐药性的顶端基因“hits”之一是DYNLL1。

DYNLL1蛋白在许多细胞过程中起作用,包括细胞内运输和运动,并且还抑制酶一氧化氮合酶(它产生细胞信号分子一氧化氮),但是以前没有涉及癌症耐药性。

因此,解读其失活如何导致耐药性似乎是一项艰巨的任务。

He证实了DYNLL1作为DNA末端加工核酸酶的负性蛋白调节剂,它直接与MRE11相互作用,从而保持其核酸酶的活性。

因此,DYNLL1的失活,释放了MRE11的核酸酶活性,即使当BRCA1不存、无法帮助引导其断裂时,因此恢复了两个HR-修复功能中的第一个,这通常是由BRCA1完成的(图1b)。

从理论上讲,与DYNLL1失活相关的耐药性与53BP1失活引起的耐药性相似,53BP1是另一种抑制DNA末端切除的蛋白质,方法是通过阻断核酸酶对DNA的访问。

据报道,53BP1的失活可恢复BRCA1突变细胞的切除,从而恢复耐药性,但BRCA2突变细胞则不能。

此外,已知DYNL1与53BP1相互作用。然而,出乎意料的是,He等人发现,与DYNL1失活相关的抗性不会通过失去53BP1-DYNL1相互作用而发生。

He和同事的研究强调了癌症耐药性中不同基因功能的复杂性,以及确定生物学机制和活性来预测肿瘤细胞是否会被杀死的重要性。

在这种情况下,DYNLL1失活重新激活切除,在BRCA1突变细胞中被消融,但在BRCA2突变肿瘤细胞中未被消融。

因此,DYNL1失活导致BRCA1突变细胞中的抗性,而不是BRCA2突变细胞中的抗性。

虽然BRCA1在HR修复过程中促进切除,但是它也可以通过未知的机制在叉保护期间防止核酸酶降解新合成的DNA。

这些双重的,似乎相反的行动模式提高了恢复HR修复可能,促进肿瘤细胞存活,即使叉保护功能失调。

类似地,DYNLL1失活实际上可能通过促进复制分叉处的过度MRE11活性,导致分叉保护的缺陷,而不管BRCA突变如何。

未来的研究对于剖析在断裂和叉点处明显相反的核酸酶过程、及其对肿瘤细胞存活的影响,作为治疗干预的可能联系点,将是至关重要的。

肿瘤耐药的不同机制表明,癌细胞对个体的分子功能缺陷作出独特的反应,而不是对整体的遗传缺陷作出反应,以重新平衡确保其存活的细胞内稳态。

He等人确定DYNLL1失活是顺铂和PARPi抗性机制;虽然两种药物都引起双链断裂,但其作用方式不同。

此外,其他常用的抗癌药物,包括吉西他滨、5-氟尿嘧啶、羟基脲,主要破坏复制反应。因此,研究人员应该找出不同的抗性方法。

尽管分子和遗传差异的知识在增加,但目前,在许多基因组学研究和治疗选择中,有BRCA1和BRCA2基因突变的癌症病人被分为一组。

He和同事的研究表明,在这种情况下,是分子的功能,而不是基因型的功能,是BRCA1在切除中的特定作用,而不是它的HR修复或叉保护的整体作用决定细胞的结果。

更广泛地说,这些结果表明,个性化的治疗策略应考虑个体分子的功能,而不是仅仅通过基因型将病人分组。


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参考文献

A new road to cancer-drug resistance

Katharina Schlacher



文章分类: 科技最前线
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