MTOR信號調節(jié)應激誘導的突變，促進癌癥的適應性進化
近日澳大利亞加文醫(yī)學研究所金霍恩癌癥中心David M. Thomas課題組發(fā)現(xiàn)，非遺傳毒性藥物選擇下的應激誘導突變（stress-induced mutagenesis，SIM），自相矛盾地以競爭的內在適應性成本提高腫瘤細胞適應性，表明了傳統(tǒng)的靶向癌癥治療與靶向DNA修復機制的藥物相結合，可以降低腫瘤耐藥性，可能是更有效的腫瘤治療策略。相關論文“MTOR signaling orchestrates stress-induced mutagenesis, facilitating adaptive evolution in cancer.”于2020年9月份發(fā)表在《科學》雜志上。
技術路線：
一、靶向抗癌療法的選擇導致了遺傳多樣性
為了了解暴露于非直接基因毒性療法下人類癌細胞中DNA損傷積累的情況，作者把磷酸化組蛋白H2AX（γ-H2AX）作為DNA雙鏈斷裂（DNA-DSBs）的標記物，并對不同化療和放療組的初發(fā)癌患者的樣本進行治療前后的檢測。結果顯示，在前列腺癌患者經(jīng)雄激素剝奪治療后，乳腺癌患者經(jīng)芳香化酶抑制劑來曲唑治療后，黑色素瘤患者經(jīng)BRAF抑制劑達布拉芬尼或維穆拉芬尼治療后，胃腸道間質瘤患者使用KIT抑制劑伊馬替尼治療后，DNA損傷水平均出現(xiàn)明顯增加（fig1. a）。在CDK4/6抑制劑palbociclib和表皮生長因子受體（EGFR）抑制劑erlotinib治療的人源性異種移植（PDX）胰腺癌模型中DNA-DSBs亦出現(xiàn)增加，提示DNA損傷增加是非毒性治療的人類腫瘤的復發(fā)特征。隨后，作者將多種人腫瘤細胞系暴露于接近致死劑量的非毒性藥物下，發(fā)現(xiàn)每100000個腫瘤細胞仍能產(chǎn)生1~20個耐藥群落（fig1.b）。同時發(fā)現(xiàn)在藥物處理早期所有研究模型均顯示DNA-DSBs水平上升（fig1.c），但在隨后的培養(yǎng)過程中DNA損傷水平逐漸回歸到基線。
隨后，作者對94T778人脂肪肉瘤和SKMEL28人黑色素瘤細胞株經(jīng)藥物處理后形成的單細胞克隆群體進行了全基因組測序。結果顯示，兩個細胞系的抗性群體中單核苷酸變異（SNV）率均顯著升高（fig1.e），而其加速進化的基因組與癌癥治療瓶頸期的基因組信息一致（fig1.d）。同時在藥物處理早期，腫瘤細胞因SIM導致克隆形成能力出現(xiàn)明顯下降（fig1.f）。
綜上所述，該研究在非直接基因毒性療法早期，人類癌細胞中DNA損傷水平出現(xiàn)暫時性的升高，并且SIM會在一定程度上降低腫瘤細胞的增殖能力。
二、全基因組RNAi篩選鑒定MTOR為癌癥中常見的進化電容器
對94T778細胞系進行了全基因組功能篩選，最終發(fā)現(xiàn)MTOR在提高腫瘤細胞適應性中發(fā)揮重要作用（fig2.a-b）。
MTOR信號通路在人類組織中表達廣泛，是一種進化上保守的環(huán)境和內源性應激傳感器。作者發(fā)現(xiàn)在無藥物處理時，沉默MTOR 會降低腫瘤細胞的克隆能力；而在藥物作用于腫瘤細胞時，MTOR的沉默反而會提高腫瘤細胞的克隆能力（fig2.c）。
在胰腺癌PDX模型中亦證實，抑制MTOR會加速palbociclib耐藥性的出現(xiàn)（fig2.d），且在腫瘤細胞進化早期MTOR及p-70-S6K磷酸化水平顯著降低，而在適應后期恢復至基礎水平。
三、抑制MTOR通過抑制準確的DNA修復來培養(yǎng)適應性突變
對94T778親本細胞系及MTOR沉默的單細胞克隆群進行了全基因組測序，發(fā)現(xiàn)MTOR沉默會抑制了同源重組（HR）信號通路的表達，并選擇性抑制了高保真DNA多聚酶活性（fig3.a）。
細胞系轉錄組數(shù)據(jù)庫LINCS L1000顯示，多種腫瘤細胞系在不同MTOR抑制劑處理下均出現(xiàn)細胞增殖能力的下降及DNA精確修復信號通路的抑制（fig3.b）。
靶向HR基因的shRNA處理94T778、SKBR3和SKMEL28細胞，結果顯示干擾HR后在無藥物處理的情況下細胞克隆能力下降，在藥物處理下細胞增殖能力卻增值（fig3.c）。
將palbociclib與rucaparib（聚腺苷二磷酸核糖聚合酶抑制劑）聯(lián)用以治療胰腺癌PDX模型，與單獨使用任何一種藥物相比，聯(lián)合療法增強了抗腫瘤作用（fig3.d）。
四、支持SIM在人類癌癥中的保守機制
MTOR介導的SIM通過抑制DNA的精確修復機制而減緩細胞增殖并提高基因組不穩(wěn)定性，從而增強遺傳多樣性并促進腫瘤細胞的耐藥性（fig4.a）。
因此耐藥可能是兩個獨立但相關機制的復合結果，而不是一個簡單的過程。最初MTOR介導的SIM增加了腫瘤細胞的遺傳多樣性，在藥物、輻照等選擇下，一些含有抗性基因的細胞得以生存，隨后細胞內通過SIM的標準化和穩(wěn)定抗性基因組結構的建立而形成了對新環(huán)境的適應性（fig4.b）。