关于肿瘤的耐药性提升的最新研究

来源：BioArt

“物竞天择，适者生存”是达尔文进化论的核心观点。一个很好的例子就是，当微生物处于不利的生存环境之中，部分个体会因为发生基因突变而对环境产生适应能力并最终存活下来，这种进化上保守的应对外界压力的策略也被称作应激诱导的突变(stress-induced mutagenesis， SIM)。目前，SIM在原核生物和低等的真核生物中研究的相对比较清楚【1,2】，那么，对于多细胞的生物而言是否也存这样一种进化方式？尤其是在癌症的化疗过程中，肿瘤耐药性的产生是否也与这一过程有关？

近日，来自澳大利亚Garvan医学研究所的David M. Thomas教授研究团队在Science上发表了题为MTOR signaling orchestrates stress-induced mutagenesis, facilitating adaptive evolution in cancer的研究，证明了肿瘤在进行化疗时会累积DNA损伤，并会增加基因突变的概率，最终少部分肿瘤细胞会被筛选出来从而进化出耐药性。而MTOR信号通路则在这一过程中扮演关键角色。

首先，为了证明肿瘤细胞也可以与原核生物一样利用SIM来获得耐药性，作者分别考察了前列腺癌、乳腺、黑色素瘤等多种癌症类型的病人在接受非DNA损伤药物（例如BRAF、 KIT、CDK4/6以及EGFR等靶点的小分子抑制剂）的化疗之后，肿瘤细胞DNA 的损伤情况。作者惊奇的发现，这些非DNA损伤药物无一例外的会造成肿瘤细胞DNA损伤的累积。为了进一步验证这一现象，作者用多种癌细胞系进行体外实验，结果显示所有的癌细胞在筛选的早期其DNA损伤都是累积的，但是在后期则会回复到基线水平。为了解释这一现象，作者对这些筛选出来的单克隆进行了全基因组测序(Whole-genome sequencing),发现这些单克隆与亲代细胞相比具有更高的单核苷酸位点变异(single nucleotide variants, SNVs)。说明这些经过药物筛选而进化出来的细胞具有更高的基因突变频率。有趣的是，作者发现这些获得耐药性的细胞在没有化疗药物的培养条件下却表现出生长劣势，这说明肿瘤细胞通过SIM进化出耐药性的同时也会付出一定的代价(作者称之为intrinsic fitness penalty)。
那么接下来要回答的问题是：肿瘤细胞是如何在进化过程中获得耐药性的呢？为了找到这一问题的答案，作者利用全基因组shRNA文库筛选的方式去寻找介导这一过程的关键基因。作者发现很多MTOR信号通路正向调控基因（如GRB2,BRAF,PI3KR2,RHEB）的shRNA是富集的,而一些负调控基因（如PTEN）是减少的，这说明MTOR信号通路可能与肿瘤细胞进化出耐药性有关。而进一步的实验则表明敲低MTOR在正常培养条件会抑制肿瘤细胞的生长但是在药物筛选的条件下会促进其克隆形成的能力，并且这一结论在PDX的模型中也得到了进一步的验证。
MTOR的抑制会损害细胞对于DNA损伤的响应和修复【3】。作者发现当用药物抑制MTOR之后，高精度的DNA损伤修复通路--同源重组（homologous recombination, HR）以及范可尼贫血修复途径(Fanconi anemia pathways)是被抑制的，而容易出错的DNA聚合酶途径则几乎不受影响。这提示：在药物筛选环境下，高精度的DNA损伤修复途径被抑制，因此增加了基因突变的频率，从而使得肿瘤获得耐药性的几率大大增加。而敲低HR通路中关键修复蛋白BRCA1,BRCA2和PALB2也会增强肿瘤细胞的耐药性。在搞清楚具体的分子机制之后，作者提出了这样一个猜想：既然这些非DNA损伤药物会削弱肿瘤DNA损伤修复的能力，那么是否意味着对这些药物产生抵抗的肿瘤细胞会对DNA损伤药物更加敏感呢？果然，作者发现在胰腺癌的小鼠PDX模型中，CDK4/6抑制—palbociclib与PARP抑制剂—rucaparib联合用药可以有效抑制肿瘤的生长，延长小鼠的生存时间。
最后，总结一下。一直以来，关于肿瘤似乎存在着这样一个矛盾的现象：一方面大量的研究证据表明基因突变是肿瘤发生发展的重要驱动因子，而另一方面，我们也在通过放疗（如电离辐射）来诱导肿瘤基因突变产生以达到杀死肿瘤的目的。而在这篇文章中，作者根据观察到的实验结果提出这样一种猜想：基因突变其实相当于一把“双刃剑”：在适宜的生长环境中，这些基因突变的产生可能是有害的，而在不利的环境中，基因突变的产生则会增强肿瘤的抗逆性，导致肿瘤化疗抵抗。最终，基于这一发现，作者提出了利用合成致死(synthetic lethality)效应去杀死耐药肿瘤的策略。