Science：協同致死作用的臨床應用前景

　　盡快闡明腫瘤細胞里協同致死作用的相關機制，以及生物大環境對協同致死作用的影響作用，這些都有助于協同致死抗癌療法盡快向臨床應用轉化。

　　包括導致基因功能缺失在內的大部分腫瘤相關突變都不是傳統小分子藥物，或者抗體等生物類藥物的直接作用靶點。由此可見，盡管我們對促癌相關突變的了解越來越多，可還是不能夠利用這些知識特異性地殺死腫瘤細胞，在科研和臨床抗癌應用之間似乎有著一道不可逾越的鴻溝。有一種叫做“協同致死(synthetic lethality)”效應的新方法有望給我們提供一個解決方案。可是這種技術問世已經15年了，它到底能不能真正搞定腫瘤呢?

　　協同致死效應是在大約100多年前，在黑腹果蠅(Drosophila melanogaster)實驗中觀察到的一種現象。當時的科學家們發現，如果有兩個基因同時發生了突變，就有可能會帶來致死性的結果。因此，如果不能夠找到RB1、p53、 RAS和c-MYC等與腫瘤相關突變相應的藥物，那么如果用針對其它基因的藥物也有可能會間接給這些突變基因帶來一定的影響和作用。較寬泛的協同致死效應往往也被解讀為“非致瘤性依賴(nononcogene addiction)”或“誘導下的必要性(induced essentiality)”等，以便與經典的遺傳致死效應區別開來。在出芽釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)實驗中發現，大部分基因彼此之間都存在這種協同致死效應，這些基因之間的協同致死關系也可以套用到人類腫瘤基因當中。另外，“乘客突變(passenger mutation)”這種并不是直接促使腫瘤形成的突變，以及打亂細胞網絡(cellular network)，促使細胞進入癌性狀態(cancerous state)的突變都可以是協同致死效應抗癌療法的候選對象之一。不過目前為止，科學家們只發現有一對協同致死基因有潛在的抗癌治療價值。為什么協同致死抗癌療法就這么難以成功呢?

　　有一個例子能夠證明協同致死效應具備治療效果，那就是特異性針對BRCA1基因和BRCA2基因已經發生突變的腫瘤細胞里的單鏈DNA修復酶 PARP的藥物。這些PARP基因編碼腫瘤抑制因子，能夠修復受損的DNA鏈。腫瘤細胞之所以具備對PARP抑制劑的耐藥性是因為細胞恢復了BRCA基因的功能，所以利用協同致死機制有望讓PARP抑制劑發揮應有的治療功效。這一發現一下子引發了開發(篩選)PARP同類抑制劑的熱潮。尤其是使用大規模的 RNA干擾篩選方法(large-scale RNA interference screens)發現了一大批潛在的協同致死基因靶點。不過目前我們還不能確定其中有哪些位點真的可以應用于臨床。最大的困難就是遺傳與藥理學方面的藥物干擾結果并不能得到很好的重復和匹配，得到相同的結果。這也就意味著遺傳協同致死關系可能永遠也無法被我們利用，用藥物來達成協同致死效應，特異性地殺死腫瘤細胞了。不過盡管存在這樣的認識，還是有越來越多的人擔心很難用模式生物來篩查協同致死基因，這也就更進一步限制了協同致死效應的臨床應用。目前實際上只有少數幾個協同致死藥物進入了臨床開發階段，而且這些藥物都不如BRCA-PARP藥物那么靠譜。

　　實現協同致死抗癌治療的一大障礙就是缺少第一手資料，不了解腫瘤細胞各種表象背后的機制。比如遺傳學、表觀遺傳學、系統信號、微環境等這些因素對協同致死相互作用都會帶來哪些影響，我們對此幾乎是一無所知的。我們過去的研究思路一直都是這樣的，只關注哪一些基因、因素會導致某種特定的表型、現象出現，從來都不關注整體因素，以及預計之外、甚至是與預期相反的試驗結果。而我們人類的表型卻又很難重復，這說明除了基因等因素之外，其它因素也都是非常重要的。這一點在腫瘤上表現得尤為明顯，因為腫瘤的分子異質性(即大環境的復雜程度)更為突出。實際上，了解基因之外的其它影響因素更有意義，能夠為我們提供更豐富的信息，給臨床治療提供更有針對性的指導。比如用BRAF抑制劑治療BRAF基因發生突變，并且被激活的結腸癌就不會起到任何治療效果。這是因為在這些腫瘤細胞里卻存在一種反饋機制，能夠激活表皮生長因子受體信號通路，拮抗BRAF抑制劑的治療功效。這就讓我們想到是否可以將BRAF抑制劑和表皮生長因子抑制劑聯用，來治療貌似對BRAF抑制劑耐藥的結腸癌患者。

　　協同致死相互作用可能也和其它的表型一樣，受到細胞內大環境的影響。反過來也是一樣。在酵母細胞里，對細胞適應性起決定性作用的單基因(即該基因的功能受到影響就會使細胞的適應性出現問題)在進化上要比協同致死基因(即只有兩個基因都發生突變才會帶來問題)更加保守。由于在腫瘤發生的過程中，克隆演變(clonal evolution)會使細胞呈現出各種各樣的狀態(多個不同的基因都會累積遺傳和表觀遺傳學方面的異常)，所以協同致死類藥物對細胞大環境的依賴程度也會比常見的靶向致癌基因的藥物更高。

　　細胞大環境和拓撲學因素的作用。只有兩個基因同時發生突變才會使細胞死亡的協同致死效應必須要考慮細胞大環境，比如遺傳學和表觀遺傳學、細胞微環境和局部信號等因素的影響作用。協同致死相互作用相關的拓撲學因素，比如相互作用的強度、聯系程度和冗余程度也是一個必須要考慮的重要因素，但是目前這方面掌握的信息還不太多。

　　細胞大環境的重要性還體現在其它方面，比如對兩個酵母株重要性不同的基因進行比較的過程中就可以觀察到這一點。最開始科學家們希望使用這些條件必需基因(conditional essential gene)來解釋協同致死效應。不過當科學家們對兩個酵母株進行雜交，并且對有活力的孢子(viable spore)的出現頻率進行分析之后就發現，大部分條件必需基因之間的相互作用都是多個基因共同作用的結果。這說明協同相互作用可能對遺傳修飾因子(genetic modifier)也非常敏感，各種不同的細胞、腫瘤乃至不同人之間基因活力上的定量差異也會對協同致死效應的作用造成影響。此外，在秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditis elegans)實驗中也發現，基因活性隨機性的差異也會影響協同致死效應的外顯率(penetrance)。這都說明整體大環境會影響人體腫瘤細胞的協同致死效應，同時也凸顯出對這方面問題進行系統性研究的重要性，因為只有這樣才有可能讓協同致死療法成功走向臨床。這類研究應該著重關注腫瘤細胞里共存的、有可能會對協同致死效應外顯率帶來影響的突變。比如用一個比較成熟的腫瘤細胞系，或者經過人工改造的、能夠模擬人體內腫瘤細胞復雜情況的同系細胞系(isogenic cell line)進行大規模的協同致死相互作用研究。雖然這些體外細胞研究并不能直接解決腫瘤微環境的問題，但是也能夠發現一些有價值的線索，比如遺傳修飾因子等，這些生物標志物也能夠幫助我們預測是否會存在可利用的協同致死作用。最后，在全基因組范圍內篩查能夠增強、或者抑制協同致死作用的遺傳修飾因子，這樣也能夠找到對大環境(變動)因素比較敏感的生物標志物，幫助協同致死效應更快地轉化成臨床應用。而且這種篩查工作得到的結果也有利于我們更深入了解細胞大環境對協同致死效應的影響作用以及作用機制。

　　關于人體細胞內的協同致死效應，除了上述這幾個問題之外，還有其它幾個比較重要的基礎問題需要解決。其中有一些問題就是與網絡拓撲學(network topology)相關的問題，我們這里提到的所謂網絡拓撲學就是用來描述協同致死效應相互作用網絡彼此聯系關系和結構的一大堆參數。比如，目前還是一個空白的，對人體細胞內協同致死效應的強度進行的定量研究，這種信息就能夠指導后續的協同致死抗癌治療，確定治療指數(therapeutic index)。所謂治療指數指的就是藥物毒性劑量與治療劑量之間的比值。這些信息對于選擇有治療潛力的協同致死相互作用非常有幫助。缺乏BRCA1/2基因的細胞對PARP抑制劑的敏感強度與正常細胞相比要幾乎要高出1000倍。相比之下，目前有報道的其它協同致死相互作用都沒有這么明顯的效果，而且其中有一些根本都沒達到協同致死作用的基本要求，即對其中的每一個基因進行單獨的干擾不應該對細胞的存活造成任何影響。

　　拓撲學信息可能會幫助我們發現最有價值的協同致死相互作用。哪一些基因或細胞進程之間有最強、最明顯的相互作用，就應該對它們進行功能基因組學方面的研究。對酵母或線蟲等模式生物進行篩查發現，與組蛋白去乙酰化(histone deacetylases)等染色質調控作用有關的蛋白是在各種相互作用中出現頻率最高的蛋白之一。這可能是因為轉錄調控作用就是通過同時協調多個基因表達水平的方式，對各種因素的干擾作用進行微調的一種機制。不過還沒有人在人類腫瘤細胞實驗中驗證過這種猜想。即便是在人體細胞中應該是最容易觀察到協同致死效應的DNA合成和修復這樣高度保守的細胞機制里，至今也沒有列出一份協同致死相互作用清單。

　　還有一些與拓撲學相關的問題沒有得到解決，比如協同致死基因之間的連接數，協同致死效應的分布情況以及冗余情況等。人類細胞和酵母細胞比起來要復雜得多，這也意味著在人類細胞里會存在大量的冗余情況，所以對藥物的治療作用會存在更多的替代和補償作用，抵消藥效，同時也意味著真正能夠起到致死作用的協同致死效應是比較少見的。也許全基因組測序技術能夠回答這些問題。

　　將來，用組織樣品進行協同致死作用個性化篩查也許會為臨床提供更多更有價值的信息，直到有一天，能夠更深入、更全面地了解協同致死作用的生物學機制。只有對協同相互作用有一個透徹的認識和了解，對其臨床應用價值有一個準確的判斷和把握，否則這種工作就只能是碰運氣。正確認識基因療法與免疫療法工作中面臨的問題和困難，也能夠幫助協同致死療法走向臨床，認識腫瘤細胞里能夠影響協同致死相互作用的作用機制也是必不可少的一項工作。