Sci Trans Med | 刘琦等揭示癌症DNA损伤反应的弱点 ​

责编 | 酶美

TGFβ蛋白是涉及许多基本细胞过程的生长因子，它在肿瘤细胞与其微环境的相互作用中起着重要的调控作用，特别是参与了抑制抗肿瘤免疫系统、促进上皮间质转化与细胞转移等功能。但是，这项研究描述了TGFβ的一种新特性，该特性不仅对癌细胞具有特异性，而且几乎在所有实体瘤中都通用，可准确预测放化疗的预后。

在TGFβ的多种功能中，大家对其在DNA损伤反应中的影响了解得最少【2】。刘琦博士及其团队在之前的研究中发现，人乳头瘤病毒相关的头颈癌中TGFβ信号通路得到了抑制，进而影响了其对放化疗的敏感性【3】。目前临床数据已经证实，人乳头瘤病毒阳性头颈癌相对阴性的头颈癌有着更好的预后，而刘博士的研究率先揭示了TGFβ在其中的关键作用。如果该发现是癌症生物学中的一般性机制，那么不仅人乳头瘤病毒阳性头颈癌有着良好的预后，所有具备类似特点的癌症都将受益于放化疗的治疗。

近日，深圳湾实验室刘琦博士及美国和西班牙的Barcellos-Hoff/Miquel Angel Pujana团队在Science Translational Medicine 杂志以研究长文（Research Article）的形式发表了题为 Loss of TGFβ signaling increases alternative end-joining DNA repair that sensitizes to genotoxic therapies across cancer types 的论文。该研究发现了肿瘤细胞中DNA损伤反应调控的未知机制，并揭示了可用于指示实体瘤癌症弱点的基因表达特征【1】。实体瘤癌症的标准疗法多采用放化疗，通过损伤DNA消灭癌细胞为主要目标。不同肿瘤的DNA损伤反应特点差异很大，而目前临床采取“一刀切”的策略进行治疗，容易造成过度治疗等问题。因此本项的研究发现将有助于预测哪些患者将从放射疗法和化学疗法的治疗中受益，进而促进癌症个体化医疗水平的进步。

本项研究中，作者首先测试了TGFβ对头颈癌细胞DNA损伤反应的影响。多个激酶在放射诱导的DNA损伤反应中会磷酸化相关蛋白分子。因此团队成员Fred Hutch癌症研究中心的蛋白质组学专家Amanda Paulovich教授利用其建立的免疫质谱的方法分析了236个DNA损伤反应相关的磷酸化多肽位点发现，通过LY2157299抑制TGFβ信号可以有效抑制放射导致的磷酸化，其中包括若干DNA双链断裂修复基因的磷酸化水平，如ATM、BRCA2、FANCD2、CHEK1、H2AX等（图1，A）。作者采用Nanostring技术，通过靶向性的RNA探针分析了180个DNA损伤反应基因在TGFβ 调控后的表达水平，发现TGFβ信号可调控一组DNA损伤反应基因，其中经典的DNA双链修复模式：同源重组和非同源末端连接基因被TGFβ抑制剂抑制，而可替换的非同源末端连接基因POLQ、PARP1、LIG1在TGFβ抑制后表达补偿性升高（图1，B）。作者通过可替换的非同源末端连接的报告质粒等技术手段进行研究，确认了TGFβ信号损失会上调该DNA双链修复模式，并增强了对电离辐射的敏感性（图1，C）。

图1. A，质谱法分析放射（IR）后的癌细胞蛋白质磷酸化水平。TGFβ信号通路通过抑制剂LY2157299进行了调控。B，Nanostring技术分析TGFβ调控的DNA损伤反应基因表达。C，通过可替换的非同源末端连接报告克隆分析了TGFβ抑制剂LY364947和LY2157299对该修复模式的影响。

功能性生物标志物是研究癌症特定功能的重要手段，在DNA损伤反应研究中较为常用【4】。为了进一步研究TGFβ信号通路在人体肿瘤中对可替换的非同源末端连接的影响，项目团队分别建立了TGFβ和可替换的非同源末端连接的基因表达特征作为其生物标志物（图2，A）。TGFβ信号特征的建立基于慢性TGFβ信号调控的50个靶基因表达，可替换的非同源末端连接特征是综合了参与该DNA修复模式的36个DNA损伤反应基因表达。通过对大型癌症数据库TCGA的分析研究发现，TGFβ转录基因表达与可替换的非同源末端连接基因的表达呈负相关。这种负相关不仅在头颈癌中有显著的统计学意义，在16种常见的实体瘤癌症中都有显著的统计学意义（图2，B-C）。可替换的非同源末端连接容易造成基因突变。对这些癌症进行基因组突变的分析表明，可替换的非同源末端连接的基因表达特征与癌症的突变量和类型相关，确认了分析结果的可靠性（图2，D）。

图2. A，TGFβ和可替换的非同源末端连接的基因表达特征谱的建立方法示意图。B，对TCGA的头颈癌数据进行TGFβ和可替换的非同源末端连接的基因表达特征分析。C，对TCGA数据库中17个实体瘤癌症进行基因表达特征分析，其中16个有显著的负相关性。D，对TCGA数据库中的基因突变类型进行分析，发现与基因表达特征的相关性。

项目研究表明TGFβ广泛控制DNA损伤反应并抑制可替换的非同源末端连接基因表达。然而这种功能关系对人类癌症治疗敏感性的影响仍然未知。作者进一步分析了TCGA数据库中超过一万个实体瘤癌症的样本，保留了接受放射治疗和化疗的数千例患者样本（图3）。这些样本同样拥有TGFβ转录基因表达特征与可替换的非同源末端连接基因特征的负相关性。无论是单纯放疗的癌症患者，或是经过放化疗的癌症患者，如果他们的肿瘤表现出TGFβ信号损失和可替换的非同源末端连接功能上调，这些患者的预后显著好于其他人。综上所述，实验研究表明，TGFβ信号的丢失或抑制会损害DNA损伤反应，而相关的基因表达特征不仅可以预测癌症对放化疗等基因组损伤疗法的反应，同时对靶向可替换的非同源末端连接的PARP抑制剂的应用提供了新途径【5-7】，为广大癌症患者的精准医疗提供了新方案。

图3. A，对TCGA癌症数据库分析后保留了放疗的患者样本1737例，其TGFβ和可替换的非同源末端连接的基因表达特征呈现负相关性。B，TGFβ信号低且可替换的非同源末端连接活跃的肿瘤患者有着显著较长的放疗后生存期。C，对TCGA数据库中接受放化疗的3577位癌症患者样本分析，其TGFβ和可替换的非同源末端连接的基因表达特征呈现显著负相关性。D，TGFβ信号低且可替换的非同源末端连接活跃的肿瘤患者有着显著更好的放化疗预后。

本项工作是来自国际科学家团队共同努力的结果。深圳湾实验室刘琦博士为该论文的第一作者，对该项研究的目标和概念、技术方案、实验设计及结果分析都做出了重要贡献；美国加州大学旧金山分校Helen Diller Family 综合癌症中心的Mary Helen Barcellos-Hoff教授，西班牙巴塞罗那大学Bellvitge生物医学研究所的Miquel Angel Pujana为该论文的通讯作者；另外本项研究还有来自德国Essen 医科大学George Iliakis教授、英国格拉斯哥大学的临床癌症专家Anthony J. Chalmers教授等诸位专家的参与和支持。

原文链接：

https://stm.sciencemag.org/content/13/580/eabc4465

制版人：十一

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参考文献

1. Qi Liu, Luis Palomero, Jade Moore, Ines Guix, Roderic Espin, Alvaro Aytés, Jian-Hua Mao, Amanda G. Paulovich, Jeffrey R. Whiteaker, Richard G. Ivey, George Iliakis, Daxian Luo, Anthony J. Chalmers, John Murnane, Miquel Angel Pujana, Mary Helen Barcellos-Hoff: “Loss of TGFβ signaling increases alternative end-joining DNA repair that sensitizes to genotoxic therapies across cancer types”. Science Translational Medicine. 10 Feb 2021: Vol. 13, Issue 580.

2. Qi Liu, Kirsten Lopez, John Murnane, Timothy Humphrey, and Mary Helen Barcellos-Hoff: “Misrepair in Context: TGFβ Regulation of DNA Repair”. Front. Oncol., 27 August 2019. 9:799.

3. Qi Liu, Lin Ma, Trevor Jones, Luis Palomero, Miquel A. Pujana, Haydeliz Martinez-Ruiz, Patrick Ha, John Murnane, Isabel Cuartas, Joan Seoane, Michael Baumann, Annett Linge, Mary Helen Barcellos-Hoff: “Subjugation of TGFβ Signaling by Human Papilloma Virus in Head and Neck Squamous Cell Carcinoma Shifts DNA Repair from Homologous Recombination to Alternative End-Joining”. Clin Cancer Res. 2018 Dec 1; 24(23):6001-6014.

4. Henning Willers, Liliana Gheorghiu, Qi Liu, Jason A. Efstathiou, Lori J. Wirth, Mechthild Krause, Cläre von Neubeck: “DNA Damage Response Assessments in Human Tumor Samples Provide Functional Biomarkers of Radiosensitivity”. Seminars in Radiation Oncology, 25(4):237-250, Oct. 2015.

5. Qi Liu, Liliana Gheorghiu, Michael Drumm, Rebecca Clayman, Alec Eidelman, Matthew F. Wszolek, Aria Olumi, Adam Feldman, Meng Wang, Lynnette Marcar, Deborah E. Citrin, Chin-Lee Wu, Cyril H. Benes, Jason A. Efstathiou and Henning Willers: “PARP-1 inhibition with or without ionizing radiation confers reactive oxygen species-mediated cytotoxicity preferentially to cancer cells with mutant TP53”. Oncogene, 2018 May; 37(21):2793-2805.

6. Lynnette Marcar, Kankana Bardhan, Liliana Gheorghiu, Patrick Dinkelborg, Heike Pfäffle, Qi Liu, Meng Wang, Zofia Piotrowska, Lecia V. Sequist, Kerstin Borgmann, Jeffrey E. Settleman, Jeffrey A. Engelman, Aaron N. Hata, and Henning Willers: “Acquired Resistance of EGFR-Mutated Lung Cancer to Tyrosine Kinase Inhibitor Treatment Promotes PARP Inhibitor Sensitivity”. Cell Rep. 2019 Jun 18;27(12):3422-3432.

7. Q. Liu, L. Palomero, J. Moore, I. Guix, M.A. Pujana, M.H. Barcellos-Hoff. TGFβ signaling suppresses alternative end joining associated with genomic mutations and PARP Inhibition sensitivity. Cancer Research 80 (16 supplement), 831-831