由一种名为噻莫唑胺（TMZ）的抗癌药物在细胞基因组上留下的突变特征揭示了克服TMZ化疗耐药性的潜在脆弱性，根据最新研究结果。
尽管经过广泛研究，胶质母细胞瘤仍然是最危险的脑癌之一。噻莫唑胺（TMZ）是用于治疗该疾病的主要药物。尽管TMZ有效地渗透到大脑并靶向肿瘤，但其效力取决于肿瘤细胞修复药物造成的DNA损伤的尝试。不幸的是，胶质母细胞瘤通常通过关闭多种DNA修复机制来逃避治疗，导致对TMZ的耐药性并减弱其效果。在这些耐药的细胞中，DNA发生了改变，但并不会引发细胞死亡。
来自韩国蔚山的基础科学研究所（IBS）基因组完整性中心的研究人员，与蔚山科学技术大学（UNIST）的生物信息学团队一起，在TMZ耐药机制方面取得了重要发现。他们的发现可能会导致对这种侵袭性癌症的更有效治疗。
TMZ的作用及其局限
TMZ通过诱导DNA损伤来发挥其作用，特别是通过一种被称为O6-甲基鸟苷（O6-meG）的修饰，这种修饰通过在6号位连接一个甲基基团来改变DNA碱基鸟苷。通常情况下，细胞的不匹配修复（MMR）系统试图修复这种损伤，但在O6-meG的情况下，改变的碱基能够有效地与胸腺嘧啶对齐，而不是与胞嘧啶。这种不匹配导致修复失败循环，最终可能导致肿瘤细胞的死亡。然而，如果MMR通路被禁用，有毒循环就会被停止，导致众多胞嘧啶转变为胸腺嘧啶的突变而不杀死细胞。因此，具有缺陷MMR的肿瘤对TMZ的耐药性增加了100倍。
通过使用显著高剂量的TMZ，仍然有可能摧毁这些耐药的肿瘤。在这些高浓度下，TMZ产生另一种甲基化碱基，3-甲基腺苷（3-meA），它阻碍了癌细胞中的DNA合成。此碱基通过另一种称为碱基切除修复（BER）的机制进行修复。在BER过程中，首个酶MPG仅去除核苷酸的碱基部分，生成去碱基位点。另一个酶APE1将此位点转化为单链DNA断裂，随后修复并封闭该缺口。然而，如果APE1被抑制，胶质母细胞瘤细胞对TMZ表现出更高的敏感性，无论MMR通路的状态如何。因此，APE1可以被视为肿瘤化疗耐药性的阿喀琉斯之踵。
关于突变和衰老的意外见解
有趣的是，IBS的研究团队发现，抑制MPG酶（阻止BER开始）会使细胞对TMZ产生耐药。这是因为复制堵塞可以通过一种特殊的聚合酶来解决，它用腺苷替换阻塞的DNA残基。使用全基因组测序，IBS/UNIST的研究人员检测到了一个突变“伤疤”，表明复制停止发生的位置。
在DNA复制因3-meA或其他类似损伤受到阻碍时，帮助的特定DNA聚合酶被称为跨损伤合成（TLS）聚合酶。这些聚合酶不同于处理大多数DNA合成的主要复制酶，因为它们的准确性较低，能够插入不匹配的核苷酸，从而使它们能够跨越损伤。然而，这种能力可能会导致不良影响。细胞越频繁地使用TLS聚合酶，基因组中的突变“伤疤”就越会积累。
特别是，称为聚合酶ζ的TLS聚合酶经常被调用来帮助停滞的复制叉。每当这种聚合酶激活时，它就在基因组中留下自己的“突变特征”。IBS的研究人员发现，聚合酶ζ的活性增加了接受TMZ处理的细胞中的突变负担。
重要的是，除了在TMZ处理后贡献突变负担外，这项研究还揭示聚合酶ζ也是未接受药物处理的细胞中突变积累的主要责任者。随着生物体衰老，它们的细胞积累突变，而突变积累率与生物体的寿命之间存在显著的相关性。例如，短命的小鼠比长命的人更快地积累突变。聚合酶ζ造成的突变模式类似于通常在衰老哺乳动物中观察到的模式。这一意外发现暗示了衰老背后可能的机制。
展望未来
IBS的研究人员使用了一套完整的DNA修复突变体来探索哪些基因对TMZ治疗的生存至关重要。他们评估了各种细胞系的敏感性，每个细胞系都有一个DNA修复基因被破坏。此外，他们对400多个来自处理过和未处理细胞的基因组进行了测序，以揭示由于DNA修复通路破坏、TMZ治疗及其组合所导致的突变。
对这些突变的生物信息学分析揭示了来自化学物质、辐射和DNA修复基因失活（在癌症中很常见）所产生的不同“突变特征”。计算机算法分析基因组中的所有突变，以提取主要基于替代邻近核苷酸的突变模式。
该研究标志着首次全面尝试结合正常和MMR缺陷基因背景下的基因敲除，融合细胞生存测试与全基因组测序。在研究过程中，显然与药物耐药性相关的DNA修复通路是冗余的；当一个通路受到损害时，另一个通路可以补偿。识别这种冗余需要多个连续的基因敲除，类似于剥洋葱。随着细胞逐层失去DNA修复防御，基因组中的突变特征不断演变，反映对药物反应的机制。
一个显著的发现是，破坏特定基因（如FANCD2）会增加MMR具备细胞对TMZ的敏感性，但不会改变MMR缺陷细胞的耐药性。反之，敲除参与BER的基因（如APE1和XRCC1）会提高MMR缺陷细胞的敏感性，但对MMR正常细胞影响不大。这项研究阐明了一种潜在的策略，通过靶向DNA修复蛋白的抑制剂来对抗TMZ耐药性。例如，单独抑制MPG不太可能增加TMZ的疗效。
另一方面，抑制APE1是一种有前景的策略，可以对抗TMZ耐药性的产生。随着靶向APE1的药物进入开发，测试与TMZ的协同效应将至关重要。另一种潜在的有效方法可能是将APE1抑制剂与TLS抑制剂结合使用。IBS/UNIST的研究人员的目标是专注于识别与TMZ耐药性相关的TLS聚合酶。
IBS/UNIST团队的发现代表了对胶质母细胞瘤耐药性的理解的重要进展，并为新型、更有效治疗的创制提供了希望。随着研究人员深入探讨肿瘤防御的复杂层面，他们的工作使我们更接近于设计能够超越即使是最顽固癌症的疗法。
