背景：
高保真DNA复制对遗传信息对子代细胞的稳定传播至关重要。在基因毒性压力之后,专门的DNA损伤耐受通路被激活以确保复制叉的进展。这些途径包括跨损伤DNA合成、模板切换和重复。
简介：
2022年11月2日，来自美国华盛顿大学内科肿瘤科的Alessandro Vindigni教授课题组在Nat Rev Cancer（IF: 69.8）杂志上发表题为“Leveraging the replication stress response to optimize cancer therapy”的文章[1]。在本文中，作者描述了DNA损伤耐受路径如何影响基因组稳定性,它们与肿瘤发生的关系以及它们对癌症治疗反应的影响。作者讨论了最近的发现,单链DNA间隙的积累影响了化疗,并探索了越来越多的证据,表明不同的DNA损伤耐受性因素,包括病变合成聚合酶、模板交换蛋白和影响单链DNA间隙的酶,代表了有用的癌症目标。进一步概述了DNA损伤耐受机制的后果,可以告知发现新的生物标志物来改进癌症治疗。
主要结果：
DNA复制应激在肿瘤发生中的作用。
跨损伤DNA合成。真核TLS涉及y家族的聚合酶-包括REV1, Polη， Polι和Polκ -和b家族(Polζ)。这些y家族和b家族TLS聚合酶缺乏3 '到5 '核苷酸校对，并且与复制型聚合酶相比，它们区分传入核苷酸的能力下降。因此，它们比核心复制复合体中的聚合酶更具诱变性，错误率高达每插入10个核苷酸中的1个，而复制聚合酶Polε和Polδ的错误率低至每10个碱基中的1个。TLS聚合酶诱导的突变事件可以促进肿瘤的发生，并影响癌细胞对DNA损伤化疗的反应，突出了这些机制在肿瘤治疗中的重要性。
增殖细胞核抗原(proliferating cell nuclear antigen, PCNA)泛素化是TLS聚合酶向DNA募集的关键，PCNA是复制型DNA聚合酶(又称DNA滑动钳)的关键因子。PCNA的赖氨酸164被E3连接酶RAD18单泛素化，RAD18的活性对受损DNA的复制很重要。RAD18缺失可导致非恶性哺乳动物细胞的基因组不稳定，并增加对DNA损伤剂的敏感性。
模板转换。在酵母和细菌中,TS被广泛研究,在人类细胞中建立TS因子和调控器是有限的。一般来说,TS通路可以通过基因组重组和姐妹染色剂交换(SCE)导致基因组不稳定性。酵母和人类细胞中的TS机制与PCNA通过RAD18单泛素化后通过E2结合酶UBC13进行的k63连接的多泛素化PCNA相关。UBC13在大多数肿瘤中呈中等水平表达，它有两个E3连接酶伴侣，解旋酶样转录因子(HLTF)和SNF2组蛋白连接体PHD环解旋酶(SHPRH)，两者均与PCNA泛素化有关。HLTF在各种类型的肿瘤中普遍低表达，而SHPRH在大多数癌症中似乎中度或高度表达。尽管没有明确的数据表明这种差异的分子机制，我们推测HLTF可能在肿瘤中低表达，因为它除了在DNA复制应激反应中发挥作用外，还具有抗增殖功能。
复制叉的逆转。复制叉逆转被激活以应对各种复制挑战，并促进互补子链的再退火以形成四向反向叉结构。一些DNA易位，包括芽生酵母中的Rad5和哺乳动物细胞中的RAD54、SMARCAL1、FANCM、ZRANB3和HLTF，可促进分叉逆转，但其确切机制尚不清楚。双等位基因SMARCAL1突变导致schimke免疫骨发育不良，这些临床表型与在SMARCAL1缺陷细胞中观察到的复制相关DNA损伤应答缺陷相关。SMARCAL1在胰腺癌、睾丸癌、乳腺癌、前列腺癌和甲状腺癌组织中高表达。FANCM是范可尼贫血(FA)互补组的一员，其生殖细胞系突变可导致癌症易感性增加，这与FA蛋白在基因组稳定性中的已知作用一致。在人类恶性肿瘤的背景下，ZRANB3变异体已在子宫内膜癌中观察到，与其他肿瘤类型相比，ZRANB3 RNA在睾丸癌中表达最高。
图1：复制应激反应的主要介质
癌症治疗中的DNA复制应激。
癌症中靶向TLS和DNA修复聚合酶。由于RAD18在许多肿瘤类型中的高表达和在启动TLS中的作用，RAD18已被研究作为一个有希望的癌症治疗靶点。事实上，用特异性微小RNA靶向RAD18已在体外被证明可使耐药结直肠癌细胞对化疗增敏。最近的数据表明，在BRCA1缺陷或BRCA2缺陷的癌细胞中，敲除RAD18增加了DNA损伤和未修复的ssDNA间隙的形成，导致细胞死亡。此外，RAD18缺陷型癌细胞比野生型癌细胞对交联剂(包括丝裂霉素C和顺铂)更敏感。RAD18缺陷细胞对交联剂的敏感性增加可能与RAD18在调节FA蛋白FANCD2的泛素化方面的额外作用有关，FANCD2是参与链间交联修复的核心因素。
靶向癌症中的TS和复制叉恢复。在UBC13、RAD51、BLM和NBS1的差异表达水平与TS缺陷和癌症化疗应答之间建立关联时，由于缺乏研究同源介导的TS机制(不一定涉及链转移)的直接方法，这一问题变得复杂。此外，这些蛋白具有多种细胞作用:UBC13促进DSB信号传导和泛素化细胞溶质NF-κB通路靶点;RAD51在复制叉稳定性中发挥多重作用;RAD51、BLM和NBS1在同源重组中的功能。因此，我们注意到，任何与靶向这些因素相关的潜在化疗获益不能与TS效率的变化绝对相关。
PARPi癌症治疗中的复制应激。PARPi疗法的发展显著改善了同源重组缺陷癌症的生存结局。有人提出使用PARPi和化疗的疗法可通过合成致死作用杀死同源重组缺陷肿瘤(例如携带BRCA1或BRCA2突变的肿瘤)。PARPi导致DNA上的PARP蛋白被捕获，并导致ssDNA断裂增加，在BRCA缺陷肿瘤的复制过程中，ssDNA断裂转化为不可修复的DSBs，并导致细胞死亡。毒性DSBs也可能源于DNA损伤性化疗治疗后停滞的复制叉降解和塌陷，而在缺乏BRCA蛋白的情况下，这些复制叉无法得到充分保护。有趣的是，PARPi在靶向同源重组精通的癌细胞方面也显示出前景，因为RNase H2的缺失(RNase H2参与从DNA中移除错误的核糖核苷酸)使BRCA精通的细胞对奥拉帕利敏感。
图2：癌症中的复制应激反应和新兴的治疗靶点
通过诱导复制应激增强癌症的免疫治疗反应。最近的研究探索了复制叉扰动、炎症信号传导和癌症免疫治疗反应之间的联系。STING炎症信号在复制应激中上调的发现表明，复制应激可能导致DNA片段从细胞核释放到细胞质中，导致cGAS-STING通路激活。进一步的研究表明，停滞的复制叉和微核是这些DNA片段的来源。cGAS-STING上调干扰素样应答导致T细胞启动和募集，并可提高免疫疗法的疗效，这提示利用STING诱导复制应激和免疫检查点阻断的联合治疗是一种有前景的治疗策略。
特异性TGFβ应答基因的表达增加与妇科癌症的免疫治疗抵抗相关，另外的研究表明，在免疫检查点阻断抵抗的乳腺癌小鼠模型中，阻断TGFβ信号通路可抑制肿瘤生长。一项研究发现中介体复合物亚基12 (MED12;一种在转录中起作用的共激活因子)通过上调TGFβ信号传导和恢复BRCA缺陷癌细胞的复制叉稳定性来促进化疗耐药性。在BRCA感受态细胞中，BRCA1在DSB修复和复制叉稳定中发挥作用，其通过与miR-182的相互作用被TGFβ下调;在TGFβ的刺激下，这种微小RNA降低了小鼠和人类细胞中的BRCA1蛋白水平。这些数据突出表明，MED12和TGFβ信号轴是有前景的治疗靶点，可对抗免疫治疗耐药性和改善药物敏感性，特别是通过促进复制应激和降低DNA损伤修复能力。
图3：化疗和PARPi在BRCA缺乏癌症中的应用
DNA复制应激和临床生物标志物。DDT通路可能有助于开发新的临床生物标志物。TLS酶在特定的肿瘤类型中普遍升高，这可能是因为它们促进了突变，而突变驱动了癌变，也促进了肿瘤进化和对化疗的耐药性。RAD18、PCNA泛素化和TLS聚合酶相对于正常组织对照或随着时间的推移在同一肿瘤中增加可能代表预测治疗反应和临床结局的新型生物标志物。同样，TS蛋白、叉逆转因子和叉恢复酶在多种肿瘤中升高。成功开发这些滴滴涕因子作为生物标志物将需要在广泛的癌症中进行大规模研究，以评估这些蛋白的肿瘤特异性，并在不同类型的癌症中建立相关的表达阈值。值得注意的是，选择性DTT因子的上调可能是肿瘤细胞在治疗期间暴露于DNA损伤剂的特异性，这是这些因子作为生物标志物的临床适用性的一个重要考虑因素。此外，还需要探索这些因素的复制应激独立作用，以确定它们是否有助于癌细胞生存或对DNA损伤剂的反应。
评估肿瘤样本中复制应激活动的功能分析可作为生物标志物。例如，单分子DNA纤维测定已被用于临床前研究，以监测高级别浆液性卵巢癌类器官的复制叉稳定性。TS依赖的SCE或基因扩增和TLS介导的突变也可作为评估化疗疗效的有用指标。此外，ssDNA积累增加和ATR - CHK1激活可作为生物标志物，预测对诱导复制应激的药物(包括PARPi)的应答(图4)。
图4：癌症中的复制应激反应及其对癌症生物标志物的影响
结论和展望：
精准医学继续为癌症治疗带来革命，揭示了治疗策略的优势和局限性，并揭示了新出现的耐药机制。与此同时，该领域继续使用全基因组筛选和测序技术确定复制应激和DNA损伤应答的基本途径。这些工具和它们揭示的数据正在改变我们在分子水平上理解肿瘤的方式，并为改善临床癌症治疗开辟新的策略。未来的工作需要确定这些新途径的肿瘤或癌细胞类型特异性，并评估用于阐明复制应激和DNA修复机制的体外和体内癌症模型的充分性。此外，鉴于化疗敏感性和耐药的多种机制可以在单个肿瘤或单个细胞中被激活，本综述中概述的可能生物标志物和靶点的可行性和可扩展性必须加以探索。这些研究对于巩固关于复制应激的新发现至关重要，这些新发现正在积极塑造临床医学，包括复制应激与免疫疗法之间的联系，而免疫疗法正成为癌症治疗的一个有前景的方向。我们预测新的交叉学科研究将继续告知复制应激反应机制、DNA损伤修复信号和肿瘤微环境的复杂相互作用，更好地预测和改善对治疗的反应。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41568-022-00518-6
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