前言

在過去的幾十年中，對DNA損傷反應（DDR）途徑的理解不斷加深，拓寬了腫瘤學的治療領域。越來越清楚的是，DNA損傷反應缺陷導致的細胞基因組不穩(wěn)定性導致了癌癥的發(fā)生。另一方面，這些缺陷也可以作為一個治療機會。越來越多的DDR靶向藥物已迅速擴展到參與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）反應之間的相關性，這些都促進基于DDR抑制劑的聯(lián)合治療。靶向DNA修復途徑的藥物正在腫瘤治療領域顯示出越來越大的作用。

DNA損傷與DNA損傷反應

為了保持基因組的完整性，復雜的DNA修復系統(tǒng)被用來對抗各種形式的DNA損傷，這些機制被稱為DNA損傷反應。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)的信號轉換器和阻礙DNA修復的效應器。這些途徑不是相互排斥的過程，而是相互協(xié)調，形成DNA修復的精確調控網絡。            

堿基切除修復（BER）和核苷酸切除修復（NER）

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

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/脫嘧啶核酸內切酶（APE）切割AP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生的核苷酸缺口處被招募，從而封閉缺口。BER負責修復小損傷，而使DNA螺旋結構變形的較大的雙鏈斷裂（DSB）則需要NER途徑修復。NER機制涉及一種關鍵蛋白質，即切除修復交叉互補蛋白1（ERCC1），它會清除斷裂點附近的DNA，然后用正常的DNA復制進行替換。

同源重組（HR）和非同源末端連接（NHEJ）

在哺乳動物細胞中，HR和NHEJ是修復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細胞周期階段修復DSB，而NHEJ在除M期外的所有細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，并促進斷裂DNA和同源模板之間形成連接分子，完成修復。

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NHEJ的下游信號因子，如XRCC4、XLF和DNA連接酶IV。雖然NHEJ機制較為簡單，但有時會導致重排，而HR被認為不會產生錯誤。

除HR和NHEJ外，一種DSB修復途徑與這兩個主要DSB修復途徑具有相似的機制，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注a-EJ通路作為NHEJ或HR活性受損癌細胞的潛在治療靶點。

錯配修復（MMR）

除了暴露于基因毒素的細胞所產生的損傷外，DNA損傷也可能來自異常的DNA處理。針對復制相關錯誤的DNA修復途徑稱為MMR。在DNA合成過程中，MMR糾正核苷酸錯誤整合，從而防止分裂細胞中永久性的DNA改變。因此，基因突變或表觀遺傳沉默導致的MMR缺陷可能導致自發(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。

跨損傷合成與模板置換

DNA損傷耐受性（DDT）作為修復復制停滯DNA損傷的一種基本旁路機制，允許DNA復制穿過阻礙元件。跨損傷合成（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，而不是復制性DNA聚合酶，其可以直接跨過損傷部位復制。由于TLS聚合酶的校對活性不足，TLS機制是容易出錯的，這增加了突變的風險。毫不奇怪，TLS是細胞突變的主要來源。

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，被認為比TLS更準確。TLS和TS的修復活動開始于復制叉之后，這表明它們可能發(fā)生在DNA復制期間或之后，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損傷的反應不足。范科尼貧血已被確定為一種DNA修復途徑，可清除阻礙DNA復制和轉錄的屏障，即DNA鏈間交聯(lián)（ICL）。

ICL可由醛類在多種代謝反應（如脂質過氧化和乙醇代謝）和化療（如鉑）期間形成。而鏈內交聯(lián)通過NER途徑修復，而ICL主要通過FA途徑修復。通過UHRF1蛋白和FANCM–MHF1–MHF2復合物檢測ICL后，F(xiàn)A核心復合物被招募到染色質中，并單泛素化底物FANCI和FANCD2。泛素化FANCD2-I為各種DNA內切酶招募支架蛋白，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的DNA底物。

O6-甲基鳥嘌呤-DNA甲基轉移酶途徑

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

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

DDR治療應用的機制

與正常細胞相比，腫瘤細胞對DNA損傷敏感性增加的潛在機制在于三個主要方面：至少一條DDR途徑的缺陷、復制應激的升高和內源性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，但DDR途徑中的缺陷也為靶向腫瘤細胞提供了治療機會。攜帶DDR缺陷的腫瘤細胞導致基因組不穩(wěn)定性增強，并依賴剩余的DDR途徑生存。作為一種治療方法，剩余DNA修復途徑的組合靶向產生了一種被稱為“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致?lián)p傷，而是共同作用導致細胞死亡。當癌細胞特有的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胞的情況下對癌細胞合成致死。

復制應激

真核細胞復雜的DNA復制系統(tǒng)在細胞分裂過程中受到細胞周期中各種蛋白質的嚴格調控。許多DNA核苷酸需要精確聚合以確保細胞內穩(wěn)態(tài)。阻礙或終止復制叉進展的內源性或外源性障礙激活保守的細胞反應途徑，稱為復制應激。

復制應激的分子機制是DNA聚合酶的進展停滯和隨后DNA聚合與DNA解旋酶的解偶聯(lián)。誘導復制應激的一個例子是G1/S細胞周期檢查點缺陷，其原因可能是pRb功能喪失、CDKN2A缺失或細胞周期蛋白D1或細胞周期蛋白E擴增。 

內源性DNA損傷

一些內源性性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。細胞內環(huán)境對于染色體DNA來說，還具有其他危險，其中最嚴重的來自氧化過程，在線粒體產生的一些中間產物，如ROS，可能會從線粒體滲出，進入細胞質。這樣的中間產物包括超氧離子、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是關鍵的DDR酶，通過帶負電荷的聚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結合后的結構變化激活其催化功能，促進DNA修復效應分子的招募和DNA損傷部位周圍染色質的結構重塑，而染色質的動態(tài)重塑將在很大程度上影響DNA修復的效率。              

鑒于PARP在促進DNA有效修復中的關鍵作用，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PARP酶的作用。同樣，PARG在DNA復制和修復中的積極作用導致PARG缺陷細胞對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性，但對PARG抑制劑治療機制的研究卻相對滯后。

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

共濟失調毛細血管擴張突變蛋白（ATM）抑制劑

DDR信號級聯(lián)由一系列蛋白磷酸化驅動，ATM、ATR和DNA-PKs是參與該過程的關鍵激酶。被DNA雙鏈斷裂激活，ATM被MRE11-RAD50-NBS1（MRN）復合物招募到DSB位點。ATM底物包括p53、CHK1和CHK2，它們的磷酸化將導致S內或G2/M細胞周期阻滯。

盡管ATM在DNA修復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被認為是腫瘤抑制因子，ATM缺陷或突變在實體瘤和B細胞淋巴瘤中比較常見。ATM突變可能導致共濟失調毛細血管擴張癥，這是一種神經退行性疾病，其容易導致癌癥。目前有幾種ATM抑制劑正在研究用于癌癥治療。

共濟失調毛細血管擴張癥和Rad3相關蛋白（ATR）抑制劑

與由DSB觸發(fā)的ATM不同，ATR被復制蛋白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制DNA解旋酶與DNA聚合酶的解偶聯(lián)產生。細胞內ATR信號涉及一系列下游分子的磷酸化，觸發(fā)廣泛的反應，包括阻斷細胞周期檢查點、DDR和細胞凋亡。

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構缺乏了解。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一步限制了其藥物設計。

CHK1抑制劑

檢查點激酶CHK1通過磷酸化和招募一系列調節(jié)蛋白，積極參與ATR和ATM啟動的DNA損傷反應。CHK1通過磷酸化CDC25A來調節(jié)S期內檢查點，導致CDC25A降解，隨后S期細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，促進其在HR期間與BRCA2的相互作用。CHK1水平升高與更差的預后、疾病復發(fā)和治療抵抗相關，這進一步支持CHK1抑制的治療潛力。

WEE1抑制劑

作為對DNA損傷的反應，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，導致G2/M周期阻滯，為DNA損傷修復留出時間。此外，通過磷酸化CDK1上的Tyr15，WEE1還可以在DNA復制完成之前阻止S期向G2期的進展。

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

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，大量表達在幾乎所有哺乳動物的細胞中。DNA-PK是DNA修復的關鍵蛋白激酶， 參與了NHEJ的過程 。在各種腫瘤類型（包括胃腸道癌、肺癌和肝細胞癌）中都觀察到DNA-PK表達上調，并且與較高的腫瘤分級和不良預后相關。

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結合位點的同源模型。目前，大多數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

細胞對DNA損傷的反應是一個復雜的過程，涉及各種信號網絡和蛋白質，它們在特定的癌癥類型中被差異激活或失活。腫瘤中增加的復制應激和DNA修復缺陷為我們治療癌癥提供了機會，使得癌細胞比正常細胞更容易受到DDR抑制。

目前，以PARP抑制劑為典型的靶向DDR途徑的藥物已經走向臨床應用，并且在腫瘤治療中展現(xiàn)出令人鼓舞的前景。進一步，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，更理想地提高療效將是未來的方向。此外，對每一種腫瘤進行表征，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：

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

       原文標題 : DNA損傷修復途徑及藥物開發(fā)