关于 Dr.X
Dr. X 是由晶泰科技博士团发起的专业知识分享栏目，旨在向生物医药行业传递和分享全球 AI 药物研发的前沿技术与研发动态，促进广大药物研发从业者对 AI 药物研发的认知，推动 AI 等前沿技术在药物研发领域的应用。
合成致死（Synthetic Lethality）这一概念最早由美国的遗传科学家 Calvin Bridge 在 1922 年提出，并于 1946 年被 Theodore Dobzhansky 正式命名。简单理解合成致死，就是细胞中的两个基因，任何一个单独发生突变或者不发挥作用时，细胞均能成活；但两者同时出现功能缺失时，就会导致细胞死亡。近些年来，合成致死在肿瘤精准治疗发挥着越来越重要的作用。
基于合成致死的特殊机制，本文将通过几个小问题，与大家共同探讨合成致死在肿瘤领域的应用与价值。
WHY
为什么选择合成致死疗法？
众所周知，靶向药物能够特异性结合并作用于肿瘤细胞的关键功能性蛋白，导致其死亡，但迄今为止，可成药的肿瘤靶点相对较少。利用合成致死机制，能够间接靶向肿瘤特异的突变，针对那些“不可成药”的肿瘤突变基因进行研究和开发。与此同时，针对靶向治疗中新突变引起的耐药问题，合成致死疗法也展现了一定的克服潜力。
WHEN&WHERE
合成致死主要应用场景？
靶向 DNA 损伤修复（DNA damage repair, DDR）是目前“合成致死”的主要实践。多种内源性、外源性因素可不断诱发 DNA 损伤，如碱基损伤、单链断裂(SSBs)、双链断裂(DSBs)等，其中双链断裂对细胞的影响最为致命。针对 DNA 损伤，细胞进化出了一系列 DNA 损伤修复通路，以保持基因的稳定性，包括同源重组修复通路（HRR）、非同源末端连接通路（NHEJ）、碱基切除修复（BER）、错配修复通路（MMR）等。
DDR 通路之间存在相互依赖性，当 DNA 上某个基因突变导致部分 DDR 组件功能损伤后，细胞的生存将依赖于其他 DDR 机制。此时如果找到该突变基因的配对基因，抑制其他 DDR 途径，肿瘤细胞 DNA 损伤将无法修复，继而引导死亡。
图 1 DNA 损伤修复通路【1】
WHAT
在研合成致死基因对有哪些？
已上市合成致死抑制剂：PARPi
目前最成功的且唯一经过上市验证的合成致死基因对就是 BRCA/PARP。BRCA1/2 基因发生突变的肿瘤通常都存在同源重组缺陷（HRD），导致细胞 DNA 双链断裂损伤修复（DSB）途径缺陷；额外阻断一个由 PARP 调控的 DDR 途径，即碱基切除修复（BER），将导致 DNA 损伤积累并达到关键数量，从而杀死细胞【2】。
图 2 PARP 耐药机制【3】
PARP 抑制剂已在卵巢癌、乳腺癌、前列腺癌等癌种上显示了不俗的疗效。例如在最近的 ASCO-GU 会议上，口头报告了 PROpel 研究结果：奥拉帕利联合阿比特龙较安慰剂联合治疗组，为 mCRPC 一线治疗患者带来了 8.2 个月的显著 rPFS 获益（24.8 个月 vs 16.6 个月；HR 0.66，95% CI 0.54-0.81；P < 0.0001），且无论 HRR 状态如何。
图 3 PROpel 主要研究终点 rPFS, 2022 ASCO-GU
后 PRAPi 时代，还有哪些潜在合成致死
靶点值得期待
PARPi 显著的疗效让大家看到了合成致死在肿瘤领域的广泛应用前景，但由于 BRCA1/2 功能恢复、非 BRCA1 依赖的 HR 恢复、恢复复制叉稳定性等原因【3】，耐药问题也随之而来。抑制 DDR 代偿通路、寻找新的合成致死相互作用及精确靶标也是科学家进一步探索思考的点。
目前 PARPi 之外的合成致死研究总体还处于探索阶段，以临床前和Ⅰ/Ⅱ期临床试验研究为主。通过分析目前研究的靶点，可以发现在合成致死的研究主要有两个方面：
一是寻找其他可配对的合成致死靶点，期望找到下一个“PARPi”，这也是大家主要聚焦的方向。
以下是目前已发现的一些可能存在“合成致死”关系的基因：
ATR 与 ATM：
ATR、ATM 是感知 DNA 损伤的信号激酶，也是 DDR 的主要激活物。ATM 功能缺失后，癌细胞将依赖于ATR途径；通过抑制 ATR 可达到杀死癌细胞的作用，这表明 ATR 和 ATM 之间存在合成致死关系；另外，ATR 抑制可能被 DNA-PK 功能所代偿。
WEE1 与 TP53：
WEE1 是丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶家族中的一员，可抑制 CDK 激酶的活性，从而抑制细胞进入有丝分裂；Wee1 和 P53 在某种程度上形成了一对合成致死靶点。2021 年，AACR 年会上披露的数据验证了 TP53 突变的肿瘤对于 WEE1 抑制剂有一定的敏感性。
RAD51 与 AID:
RAD51 是一种高度保真的重组酶，参与维持基因的稳定性、DNA 损伤应答和细胞周期调节，在同源重组（HR）过程中扮演核心角色。2021 年 ASCO 的一项研究（摘要#3006）显示，RAD51 抑制剂 CYT-0851 选择性地诱导 AID 高表达肿瘤细胞中损伤 DNA 蓄积。
PRMT5 与 MTAP:
作为经典的表观遗传学靶点，PRMT5 在“合成致死”也展示出一定的潜力。PRMT5 敲除可选择性杀伤 MTAP 删除肿瘤细胞，而不影响正常细胞。
此外，还有 CHK1/2、DNA-PK、POLθ、USP1 等靶点也在研究中，因篇幅原因就不一一介绍了。
二是通过抑制其他代偿性 DDR 通路，试图解决 PARPi 耐药问题。
在 2021 年的 ASCO 和 AACR 上均对这一方面的研究进行了报道。在 2021ASCO 大会上，Wee1 抑制剂（摘要#5505）、ATR 抑制剂（摘要#5516）均显示出有克服PARP1/2 抑制剂耐药的潜力；AACR 官方博客也提到 POLθ 抑制剂和 ATR 抑制剂可能有助于克服 PARP 抑制剂的耐药性【2】。
图 4 基于 DNA 损伤修复的合成致死靶点及在研药物【4】
HOW
如何发现合成致死基因配对？
PARP 抑制剂已经说明了合成致死在肿瘤治疗领域的广泛前景，其他合成致死研究也在如火如荼进行中，但 DDR 信号通路非常复杂，如何寻找合适的合成致死相关的基因突变是难点所在。
随着基因测序技术的发展与进步，基于 CRISPR 的表型筛选技术在发现新的药物作用靶点中具有高通量、偏碍性小、准确度高的优势。CRISPR 通过敲除肿瘤细胞的特定基因，观察肿瘤细胞的生存状态，进而找到潜在的致死基因，加速了 PARP 之外的 DDR 抑制剂发展。与此同时，CRISPR 表型筛选与机器学习算法结合，可在复杂表型的聚类、特别是非监督机器学习对数据的降维和聚类处理，以发掘全新未知靶点和作用机制，获得越来越多的共识【6】；剑桥大学的学者基于系统性 CRISPR 筛选开发了一个机器学习算法，用来精准筛查出对免疫治疗更敏感的有错配修复缺陷的肿瘤【7】。
图 5 CRISPR筛选实验设计【5】
在拓展基于表型筛选的新机制、新靶点发现中，算法优化尤为重要。生物机体的复杂性决定了生物学数据的解读无法被算法完全取代，因此开发更加人性化、易上手的算法，且注重人机（算法）协作，具有高度经验却不失客观的高通量数据分析将是下一步优化的重点。
展 望
通过以上几个小问题，我们大致探讨了合成致死的应用与价值，也看到了合成致死在肿瘤治疗领域的广阔空间。相比于传统化疗和放疗，合成致死这一疗法还很“年轻“，还有很多问题需要社会各界共同探讨和解决，例如如何进一步明确 DDR 信号通路间的互相依赖作用、DDR 之外有哪些合成致死新可能、如何更有效地解决 PARPi 耐药等。相信在未来，随着技术的发展和研究者的不断钻研，以及机器学习等前沿技术的赋能，合成致死疗法将迎来一个个突破，为患者提供更有效精准的治疗方案。
参考文献：
[1] https://blog.crownbio.com/dna-damage-response#_
[2]https://www.aacr.org/blog/2021/12/06/molecular-targets-2021-examining-synthetic-lethality-beyond-parp-inhibitors/
[3] Dias MP, et al. Nat Rev Clin Oncol. 2021; doi:10.1038/s41571-021-00532-x
[4] P. Pilié, Nat Rev Clin Oncol. 2019
[5] Bock, et al. Nat Rev Methods Primers 2, 8 (2022). https://doi.org/10.1038/s43586-021-00093-4
[6] https://www.drugtargetreview.com/article/44422/phenotypic-profiling-in-drug-discovery/
[7] Zou, X.,et al. Nat Cancer 2, 643–657 (2021). https://doi.org/10.1038/s43018-021-00200-0
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