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在靶向药治疗的压力下,癌细胞竟会通过多种手段加速DNA突变频率?

作者:小D|2020年07月16日| 浏览:5726

癌细胞又一次刷新了奇点糕的认知。

近日,来自意大利坎迪奥洛癌症研究所和都灵大学的科学家发现,在靶向药物的处理下,原本不携带耐药基因突变的癌细胞,竟然真的会通过多种方式提高基因突变频率,以最快的速度产生耐药突变,躲避靶向治疗的击杀[1]。

这是科学家首次证实癌细胞具有适应性变异的技能

这一发现也打破了“耐药癌细胞在治疗前就存在”这一普遍观点[2]。对于癌症的治疗有重要价值和意义。

这一重要研究成果刊登在顶级期刊《科学》杂志上。通讯作者是Alberto Bardelli和Mariangela Russo,美国哈佛大学的科学家也参与了本研究。


▲ 论文封面截图

靶向治疗的诞生,改写了癌症治疗史。然而,靶向治疗也面临着一个严峻的问题,那就是肿瘤的耐药复发。

众所周知,肿瘤是一个异质性非常高的组织。因此,一直以来,主流学术观点都认为,在靶向治疗开始之前,耐药突变其实就存在于肿瘤中的某一小部分癌细胞中了。当靶向药物杀灭了绝大部分没有耐药突变的癌细胞之后,那些携带耐药突变的一小撮癌细胞就成了优势群体,迅速增殖扩张,癌症卷土重来[3]。

在奇点糕看来,这个假设那是相当合理的。

不过呢,大概在9年前,麻省总医院癌症中心的科学家发现,在用靶向药物处理携带相应癌基因的癌细胞时,会有一些癌细胞存活下来,表现出对靶向药物的耐受,但是背后的机制却不明确[4]。一些研究表明,可能正是这部分存留下来的癌细胞“火种”,让癌细胞对靶向药物产生了真正的耐药性,最后卷土重来[5,6]。

三年前,麻省总医院癌症中心的科学家把上述研究成果往前推进了一步。他们证明,癌细胞耐药除了依赖治疗之前就存在的耐药突变之外,还有另一种不为人知的方式[7]。


▲ 2016年发现的两种不同耐药机制

那么,另外一种方式究竟是啥呢?

这个问题吸引了很多科学家团队的注意力,意大利坎迪奥洛癌症研究所的Alberto Bardelli和Mariangela Russo就是其中之一。

他们没有正面强攻这个问题,而是关心起了看似与这个问题无关的细菌

他们注意到,早在75年前,印第安纳大学S. E. Luria和范德堡大学的M. Delbruck发现了一个有趣的现象,面对噬菌体的感染,细菌为了生存,自发发生随机突变,以逃避噬菌体的侵袭[8]。

近年来,科学家在研究细菌对抗生素的耐药性时,也发现了类似的“主动进化”现象[9,10]。

我们都知道,对于生命体而言,为了避免有害变异的积累,在适宜的外界条件下,基因突变的频率通常是非常低的。但是,科学家已经在细菌和真菌酵母中发现了,外界有害压力或刺激能增加遗传不稳定性和基因突变频率的机制[11,12]。

例如,在致死浓度的抗生素条件下,细菌会放缓生长速度,以持留菌的形式存活下来。随后DNA错配修复(MMR)效率降低[9,13],易出错DNA聚合酶增加,提高幸存细菌的适应性突变速率[9,13-15]。在抗生素选择的压力下,那些产生耐药突变的细菌,迅速成为优势群体。

一旦适应新的环境条件之后,细菌就又回到原来的低突变状态,以避免有害的突变出现[13,16]。对于微生物群体而言,上面的过程促进了遗传多样性,提高了细菌对环境的适应能力和耐药能力[13,17,18]。


▲ 图源:Pixabay

了解完上述信息,一个问题出现在Alberto Bardelli和Mariangela Russo的脑海:癌细胞会不会也能像细菌那样“独立自主”掌握自己的命运呢

于是,他俩提出了一个新假说:在靶向药物处理的条件下,那一小撮幸存的癌细胞,会像单细胞生物一下,改变自身DNA修复和复制的机制,以获得适应性突变的能力。(这似乎一下子就拔高了癌细胞的地位,从一个细胞变成一个独立的生命体了)

接下来要做的工作,就是在实验室中验证这个假设了。

Russo选择了微卫星稳定(MSS)的人结肠直肠癌(CRC)细胞系和抗EGFR抗体西妥昔单抗作为研究对象。

用西妥昔单抗处理癌细胞,会杀死绝大多数癌细胞,但是仍有少数癌细胞幸存下来了。当研究人员撤除靶向药物之后,这些癌细胞迅速生长,不过长出来的癌细胞对靶向药物非常敏感。这就证明了幸存下来的癌细胞仅对靶向药物有暂时和可逆的耐药性,并没有出现耐药突变。


▲ 不同的处理方式

不过,研究人员还发现,如果延长靶向药物的治疗时间,那一小拨幸存下来的癌细胞就具备对靶向药物的永久性耐药。即使撤除靶向药物,这些细胞也不会重新获得敏感性。这就意味着,耐药突变已经出现了。

这相当于再现了之前的研究成果。那么肠癌细胞的DNA修复和复制的机制,究竟有没有因为靶向药物的处理而发生变化呢?

Russo做了进一步的分析,发现DNA错配修复相关基因(MLH1MSH2MSH6)和同源重组相关基因(BRCA2RAD51)表达水平降低,参与双链断裂修复的基因EXO1也深受影响

此外,治疗诱导的DNA修复基因表达的降低是瞬时的,在去除靶向药物后表达水平恢复正常。而那些先前对靶向药物产生永久抗性的癌细胞,在靶向药物的处理下则不会降低DNA修复基因的表达。

而且,上述发现在其他结直肠癌细胞系,以及患者治疗前后的肿瘤样本中得到了证实

总的来说,靶向治疗确实会导致癌细胞的DNA修复能力降低


▲ 靶向药物处理对MMR的影响

那DNA的合成有没有受到影响呢?

事实证明,被靶向药物处理的癌细胞也调整了它的DNA合成过程。和承受抗生素压力的细菌一样,承受靶向药物压力的癌细胞的DNA聚合酶,从保真度高的转向了保真度低的。这就意味着,癌细胞的DNA在复制的过程中更容易出错了,这样就可以增加突变的频率,更快地获取耐药突变。

事实也确实如此,肠癌细胞DNA损伤标志物的增加了,基因组突变和微卫星不稳定性也增加了

为了生存癌细胞也真是拼了。

不过,这个研究并不清楚靶向药物治疗压力,究竟是通过什么方法诱导了癌细胞体内的这种变化。这也会成为Bardelli和Russo团队的下一个研究方向。

最后,那些对抗癌药物非常熟悉的朋友一定注意到了一个问题。

既然癌细胞为了逃避靶向药物的击杀,改变了自身DNA修复和复制的机制,那么如果在此时再给癌细胞来一剂PARP抑制剂,它是不是就会彻底完蛋了呢?

这个猜想,还需要科学家做进一步的研究。

希望能应了曹雪芹那句话,“机关算尽太聪明,反误了卿卿性命”。

参考资料:

[1].Mariangela Russo, Giovanni Crisafulli, Alberto Sogari, et al. Adaptive mutability of colorectal cancers in response to targeted therapies[J]. Science, 2019.

[2].Misale S, Yaeger R, Hobor S, et al. Emergence of KRAS mutations and acquired resistance to anti-EGFR therapy in colorectal cancer[J]. Nature, 2012, 486(7404): 532.

[3].Diaz Jr L A, Williams R T, Wu J, et al. The molecular evolution of acquired resistance to targeted EGFR blockade in colorectal cancers[J]. Nature, 2012, 486(7404): 537.

[4].Sharma S V, Lee D Y, Li B, et al. A chromatin-mediated reversible drug-tolerant state in cancer cell subpopulations[J]. Cell, 2010, 141(1): 69-80.

[5].Oxnard G R. The cellular origins of drug resistance in cancer[J]. Nature medicine, 2016, 22(3): 232.

[6].Ramirez M, Rajaram S, Steininger R J, et al. Diverse drug-resistance mechanisms can emerge from drug-tolerant cancer persister cells[J]. Nature communications, 2016, 7: 10690.

[7].Hata A N, Niederst M J, Archibald H L, et al. Tumor cells can follow distinct evolutionary paths to become resistant to epidermal growth factor receptor inhibition[J]. Nature medicine, 2016, 22(3): 262.

[8].Luria S E, Delbrück M. Mutations of bacteria from virus sensitivity to virus resistance[J]. Genetics, 1943, 28(6): 491.

[9].Gutierrez A, Laureti L, Crussard S, et al. β-Lactam antibiotics promote bacterial mutagenesis via an RpoS-mediated reduction in replication fidelity[J]. Nature communications, 2013, 4: 1610.

[10].Long H, Miller S F, Strauss C, et al. Antibiotic treatment enhances the genome-wide mutation rate of target cells[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2016, 113(18): E2498-E2505.

[11].Bjedov I, Tenaillon O, Gerard B, et al. Stress-induced mutagenesis in bacteria[J]. Science, 2003, 300(5624): 1404-1409.

[12].Fitzgerald D M, Hastings P J, Rosenberg S M. Stress-induced mutagenesis: implications in cancer and drug resistance[J]. 2017.

[13].Galhardo R S, Hastings P J, Rosenberg S M. Mutation as a stress response and the regulation of evolvability[J]. Critical reviews in biochemistry and molecular biology, 2007, 42(5): 399-435.

[14].Ponder R G, Fonville N C, Rosenberg S M. A switch from high-fidelity to error-prone DNA double-strand break repair underlies stress-induced mutation[J]. Molecular cell, 2005, 19(6): 791-804.

[15].McKenzie G J, Rosenberg S M. Adaptive mutations, mutator DNA polymerases and genetic change strategies of pathogens[J]. Current opinion in microbiology, 2001, 4(5): 586-594.

[16].Taddei F, Radman M, Maynard-Smith J, et al. Role of mutator alleles in adaptive evolution[J]. Nature, 1997, 387(6634): 700.

[17].Torkelson J, Harris R S, Lombardo M J, et al. Genome‐wide hypermutation in a subpopulation of stationary‐phase cells underlies recombination‐dependent adaptive mutation[J]. The EMBO journal, 1997, 16(11): 3303-3311.

[18].Rosche W A, Foster P L. The role of transient hypermutators in adaptive mutation in Escherichia coli[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 1999, 96(12): 6862-6867.

 

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