克服PARP抑制劑抗藥性的曙光？ALC1蛋白與染色質重塑

PARP抑制劑 [ Poly ( ADP-ribose ) polymerase inhibitor，PARPi ] 是一針對具有BRCA1/2突變的癌症之標靶治療。其作用原理 (圖一) 是透過阻止PARP ( 一種DNA修復酶 ) 從DNA上脫離，進而造成DNA複製時產生複製叉停滯 ( replication fork stalling ) [1]。一般來說，複製叉停滯是經由同源重組 ( Homologous recombination，HR ) 的機制來修復。但由於身為同源重組核心一員的BRCA1/2發生突變，導致同源重組無法正常運作，停滯的叉無法被適當修復，因而造成大量DNA損傷，進而啟動細胞凋亡 ( apoptosis ) 機制殺死癌症細胞。反過來說，若具有BRCA1/2突變的癌細胞中，同源重組反應途徑被部分修復，也會形成對PARP抑制劑的抗藥性 ( resistance ) [2] [3] [4]。除了同源重組反應途徑被部分修復，透過降低PARP1表現 [5] [6] 和PARG [ poly ( ADP-ribose ) glycohydrolase ] 基因的缺失 [7]，癌症也能形成PARP抑制劑的抗藥性。這些抗藥性是基於PARP抑制劑的治療方案所面臨的挑戰。來自賓州大學研究團隊的最新研究，即是在這方面進行深入的探討 [8]。

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研究團隊一開始使用CRISPR-Cas9基因剪輯技術 [9] 針對具有調控染色質作用的基因之功能域 ( functional domain ) 做基因篩選 ( genetic screen ) ，尋找能增加對令癌莎 ( olaparib，為一通過美國FDA核可的PARP抑制劑，目前准使用於晚期卵巢癌與轉移性乳癌 ) 藥物敏感度 ( drug sensitivity ) 的基因 (圖二) 。發現ALC1基因剔除 ( knockout ) 能讓測試中所有具有BRCA ( BRCA1或BRCA2 )缺陷的癌症細胞株( 包含卵巢癌、乳癌、胰臟癌的細胞株 )增加對令癌莎的敏感度，甚至在其中兩種癌症細胞株能最大幅度的增加藥物敏感度。透過在正常細胞株裡雙重基因剔除 ( double-knockout ) [10]及將癌症細胞株異種移植 ( xenograft ) 至老鼠身上的實驗中，皆重現了ALC1及BRCA1/2的合成性致死 ( synthetic lethality )。其合成性致死在BRCA缺陷的癌症細胞株最高可達250倍。

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前面有提到，帶有BRCA1/2突變的癌細胞，若癌細胞能將往同源重組反應途徑部分修復、降低PARP1表現或利用PARG基因的缺失，將會形成對PARP抑制劑的抗藥性。基於ALC1基因剔除能很大程度增加PARP抑制劑的藥物敏感度，該團隊接著測試此種方式是否能克服已知的抗藥性機制，發在模擬前述三種抗藥性機制的實驗中，ALC1的基因剔除都能夠依然增加令癌莎的敏感度。

進一步測試ALC1蛋白在生物體內的作用機制，賓州大學的團隊發現ALC1蛋白其中一個功能是可以避免DNA損傷的累積和其下游同源重組或單股斷裂修復 ( single-strand break repair，SSBR。另一種DNA修復機制 ) 機制的啟動。且其作用方式與染色質重塑 ( chromatin remodeling ) 有關，它和PARP蛋白一起增加染色質的開放程度 ( chromatin accessibility ) ，使得修復因子 ( repair factor ) 得以被募集 ( recruitment ) 到DNA損傷的位置上 (圖三) 。

以應用的角度出發，賓州大學這項研究重要性在於指出了針對具有BRCA突變的癌症的潛力新療法。也就是針對ALC1蛋白設計小分子藥物抑制劑並與PARP抑制劑合併使用，成為一組合藥物療法 ( combinatorial drug therapy )。其中，三磷酸腺苷酶結合位 ( ATP binding domain )和宏結構域 ( macrodomain )為兩個已知ALC1蛋白上影響其功能的重要蛋白質結構域 ( protein domain ) [8]，預期會是理想的藥物設計對象。

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參考文獻：
[1] Livraghi, Luca, and Judy E. Garber. “PARP inhibitors in the management of breast cancer: current data and future prospects.” BMC medicine 13.1 (2015): 1-16. https://doi.org/10.1186/s12916-015-0425-1
[2] Xu, Guotai, et al. “REV7 counteracts DNA double-strand break resection and affects PARP inhibition.” Nature 521.7553 (2015): 541-544. https://doi.org/10.1038/nature14328
[3] Bunting, Samuel F., et al. “53BP1 inhibits homologous recombination in Brca1-deficient cells by blocking resection of DNA breaks.” Cell 141.2 (2010): 243-254. https://doi.org/10.1016/j.cell.2010.03.012
[4] Jaspers, Janneke E., et al. “Loss of 53BP1 causes PARP inhibitor resistance in Brca1-mutated mouse mammary tumors.” Cancer discovery 3.1 (2013): 68-81. Loss of 53BP1 causes PARP inhibitor resistance in Brca1-mutated mouse mammary tumors
[5] Murai, Junko, et al. “Trapping of PARP1 and PARP2 by clinical PARP inhibitors.” Cancer research 72.21 (2012): 5588-5599. DOI: 10.1158/0008-5472.CAN-12-2753
[6] Pettitt, Stephen J., et al. “Genome-wide and high-density CRISPR-Cas9 screens identify point mutations in PARP1 causing PARP inhibitor resistance.” Nature communications 9.1 (2018): 1-14. https://doi.org/10.1038/s41467-018-03917-2
[7] Gogola, Ewa, et al. “Selective loss of PARG restores PARylation and counteracts PARP inhibitor-mediated synthetic lethality.” Cancer Cell 35.6 (2019): 950. https://doi.org/10.1016/j.ccell.2018.05.008
[8] Verma, Priyanka, et al. “ALC1 links chromatin accessibility to PARP inhibitor response in homologous recombination-deficient cells.” Nature Cell Biology 23.2 (2021): 160-171. https://doi.org/10.1038/s41556-020-00624-3
[9] Shi, Junwei, et al. “Discovery of cancer drug targets by CRISPR-Cas9 screening of protein domains.” Nature biotechnology 33.6 (2015): 661-667. https://doi.org/10.1038/nbt.3235
[10] Najm, Fadi J., et al. “Orthologous CRISPR–Cas9 enzymes for combinatorial genetic screens.” Nature biotechnology 36.2 (2018): 179. https://doi.org/10.1038/nbt.4048

關鍵字：癌症、表觀遺傳學、DNA修復、PARP抑制劑、ALC1蛋白
撰文｜蕭毅
審稿｜蕭皓文