癌症标志：基因组不稳定性和突变

基因改变是癌症的一个基本特征。当 DNA 突变和染色体重排影响控制细胞生长、分裂和修复 DNA 的通路时，防止细胞异常行为的调节机制就会崩溃。这些关键通路的突变被称为基因组不稳定性，使细胞容易积累遗传错误，而癌细胞可以利用这些错误来推动肿瘤的发生与进展。

本博客探讨了作为《癌症的标志》框架组成部分的基因组不稳定性和突变，并介绍了当前作为治疗靶标而进行研究的一些关键蛋白质和信号转导通路。

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基因组不稳定性和突变如何导致癌症？

导致 DNA 损伤的因素很多，既有体内产生的问题，如 DNA 复制干扰、细胞代谢和氧化应激，也有外界环境的影响，如紫外线、电离辐射和化学物质的暴露。 

然而，如果 DDR 机制出现缺陷或不堪重负，突变和染色体错误将无法被有效修复，导致受损的 DNA 持续积累在细胞中。随着错误的不断积累，细胞的遗传物质逐渐变得不稳定，从而增加了控制细胞周期、细胞增殖及程序性细胞死亡等关键基因发生突变的风险。

这些变化可能使异常细胞得以存活并逐步演变为癌症。

相关通路图

	DNA 损伤反应 (DDR) 通路： 探索不同类型的 DNA 损伤（包括复制错误、交联和链断裂）以及参与检测和修复错误以维持基因组稳定性的关键修复通路和蛋白质。
	G1/S 检查点通路： 可视化调控细胞决定启动 DNA 复制并进入 S 期的信号和蛋白质，包括生长因子、DNA 损伤感应器以及细胞周期调节分子。
	G2M/DNA 损伤检查点通路：了解细胞如何在有丝分裂之前监测并应对 DNA 损伤，并依靠关键蛋白质和信号转导级联，通过阻止进入 M 期延迟细胞分裂，直到基因错误修复完成，从而维持基因组完整性。

DNA 修复的类型

当 DNA 损伤发生时，细胞会采用多种修复机制来识别和纠正不同类型的 DNA 损伤。DDR 的初始阶段通过 DNA 损伤传感器 (DDS) 完成，这些传感器利用高度特异的蛋白质-DNA 相互作用，来检测有缺陷的 DNA 结构。

一旦与 DNA 损伤结合，DDS 就会触发信号转导级联，激活 DNA 修复机制，其中包括：

• 同源重组 (HR)：同源重组是修复双链断裂 (DSB) 的关键通路，它以未受损的同源 DNA（通常在姐妹染色单体上）为模板，来修复含有 DNA 损伤的染色体。在 HR 期间，MRN 复合物（Mre11、Rad50 和 p95/NBS1）与 DSB 结合，并与 CtIP 协同处理 DNA，同时激活 ATM 检查点激酶（参见以下章节）。然后，Rad51 与形成的单链 DNA 结合，在辅助蛋白 Rad54 和 BRCA2 的帮助下介导修复，而 BRCA1 和 PALB2 则负责募集这些修复因子。该过程主要在细胞周期的 S 期和 G2 期高度活跃。

使用 Rad51 (F1G6C) Rabbit mAb #65653（绿色）、DyLight 554 Phalloidin #13054（红色）和 DAPI #4083（蓝色）对 HCT 116 细胞（人结直肠癌）进行免疫荧光分析。细胞中 Rad51 呈点状染色可作为同源重组修复功能正常的标志。

• 非同源末端连接 (NHEJ)： NHEJ 是修复细胞周期各个阶段发生的双链断裂的另一种重要机制。该过程涉及 Ku70/Ku80 复合物与断裂的 DNA 末端结合，然后募集单体 DNA-PK 催化亚基 (DNA-PKcs)，形成活性 DNA-PK 复合物。接下来，Artemis、XRCC4、XLF 和 DNA Ligase IV 等蛋白质发挥作用完成修复过程。
  

  使用 DNA-PKcs (E6U3A) Rabbit mAb #38168 对石蜡包埋的人乳腺导管癌组织进行免疫组织化学分析。	使用 Ku80 (C48E7) Rabbit mAb #2180（绿色）对 HeLa 细胞进行免疫荧光分析。肌动蛋白丝用 Alexa Fluor® 555 phalloidin（红色）标记。

• Theta 介导的末端连接 (TMEJ)： TMEJ 是细胞在其他修复途径无法使用时才启动的一种修复双链断裂的机制，但该机制容易出错。DNA 聚合酶 θ 在 TMEJ 修复过程中发挥关键作用，此外还有 Rad51 和聚（ADP-核糖）聚合酶 1 (PARP-1) 等蛋白质参与。

使用 DNA Polymerase θ (POLQ) (F8D8T) Rabbit mAb #64708 对对照 NCI-H1299 细胞（泳道 1）或 CRISPR/Cas9 POLQ 敲除 (KO) NCI-H1299 细胞（泳道 2）的提取物进行蛋白质印迹分析。POLQ 基因编码 DNA 聚合酶 θ，该酶是 TMEJ 中的一种关键酶。

• 错配修复 (MMR)：错配修复系统由复杂的蛋白质网络组成，可以识别和修复 DNA 复制过程中出现的碱基错配和插入-缺失环结构。关键的 MMR 蛋白包括 MLH1、MSH2、MSH6、PMS2 和 EXO1，其中许多在人类肿瘤中发生突变。MMR 蛋白缺乏（称为 dMMR）会导致微卫星不稳定性 (MSI)，这与某些癌症类型的易感性有关。
  

  使用 MSH6 (3E1) Mouse mAb #12988 对石蜡包埋的结直肠腺癌组织进行免疫组织化学分析。MSH6 是错配修复的关键因子。	使用 PMS2 (M0R4G) Mouse mAb #78576 在 Leica BOND Rx 上对石蜡包埋的人结肠癌组织进行免疫组织化学分析。PMS2 是错配修复的关键因子。

细胞周期检查点和调节蛋白

当细胞遭受 DNA 损伤时，上面讨论的修复通路就会被激活，以修复损伤并恢复基因组稳定性。同时，细胞还启动了复杂的监测系统：细胞周期检查点。

细胞周期检查点在细胞周期的关键阶段（例如 G1/S 和 G2/M 转换）发挥作用，以监测 DNA 损伤并协调适当的反应。如果检测到 DNA 损伤、不完全复制或染色体排列错误，检查点蛋白就会暂停细胞周期。这种暂时的停滞使细胞有时间激活 DNA 修复通路，然后再进行 DNA 复制或细胞分裂。

如果 DNA 损伤被成功修复，检查点信号就会被关闭，细胞周期就会继续。然而，如果损伤无法修复，检查点将充当第二道防线，触发程序性细胞死亡（细胞凋亡）或永久性细胞周期停滞（衰老），以防止潜在的有害突变传递。

以下是参与检查点信号转导和调节的一些关键蛋白质：

• ATM 和 ATR： 感应激酶可响应 DNA 双链断裂 (ATM) 和复制压力/单链 DNA (ATR)，激活检查点信号转导。它们的激活可协调 DNA 损伤检测与细胞周期停滞和修复通路的激活。
• Chk1 和 Chk2：下游效应激酶在 DNA 损伤后强制细胞周期停滞。Chk1 对于 S 和 G2/M 检查点以及稳定停滞的复制叉尤为重要，而 Chk2 主要在双链 DNA 断裂时被激活。Chk1 和 Chk2 均可影响同源重组 (HR) DNA 修复通路——Chk1 可通过 Rad51 等修复蛋白的磷酸化促进 HR，而 Chk2 可通过 BRCA1 的磷酸化调节 HR 效率。
• p53： p53 是人类癌症中最常见的突变基因，作为一种抑癌基因和转录因子，其功能通过包括丝氨酸 15 磷酸化在内的多种翻译后修饰 (PTM) 激活。p53 是一种关键的检查点调节因子，通过调控基因表达，使细胞在面对不同类型的 DNA 损伤时发生凋亡、细胞周期停滞或衰老。
  

  使用 p53 (7F5) Rabbit mAb #2527 对石蜡包埋的人乳腺癌组织进行免疫组织化学分析。	使用 Phospho-p53 (Ser15) (E9Y4U) Rabbit mAb #82530 对未经处理（左图）、经过 Doxorubicin #5927（中图）处理或经过 Doxorubicin 处理并经过 λ 磷酸酶（右图）后处理的 A549 细胞进行免疫荧光分析。肌动蛋白丝（红色）和细胞核（蓝色）提供细胞背景。 Doxorubicin 诱导细胞核中的 p53 表达，从而启动促进 DNA 修复或引发细胞凋亡的基因转录。

• p21： p21 是一种细胞周期依赖性蛋白激酶抑制剂和 p53 的直接下游效应物，可在 G1/S 和 G2/M 检查点发生 DNA 损伤后强制细胞周期停滞。
  

  在对照肽（左图）或抗原特异性肽（右图）存在的情况下，使用 p21 Waf1/Cip1 (12D1) Rabbit mAb #2947 对石蜡包埋的人乳腺癌组织进行免疫组织化学分析。

• MDM2 和 MDM4 (MdmX)： MDM2 和 MDM4 是 p53 的负向调节分子，在许多人类癌症中过表达。由于它们以不同但互补的方式抑制 p53，因此人们正在研究针对 MDM2 和 MDM4 的疗法来治疗表达野生型 p53 蛋白的癌症。³
  

  使用 MDM2 (F7W7X) Rabbit mAb #82504 对石蜡包埋的人子宫内膜样腺癌组织进行免疫组织化学分析。

• 有丝分裂纺锤体检查点：有丝分裂纺锤体检查点也称为纺锤体组装检查点 (SAC)，当染色体未正确附着于纺锤体微管时，它会阻止细胞分裂。纺锤体检查点信号转导的关键组成部分包括：细胞周期蛋白 B1与 CDK1（也称为 cdc2）结合，在细胞完成复制错误检查之前阻止其进入有丝分裂；Bub1 参与监测动粒-微管之间的相互作用；Aurora B 激酶作为染色体乘客复合物的一部分，监测和纠正动粒-微管的错误附着，并在细胞分裂前协调染色体的正确分离。

使用 Bub1 (F5L7L) Rabbit mAb #94244（绿色）、DyLight 554 Phalloidin #13054（红色）和 DAPI #4083（蓝色）对 HT-29 细胞进行免疫荧光分析。Bub1 在监测动粒-微管之间的相互作用以及确保仅在染色体正确排列时启动细胞分裂方面发挥关键作用。	使用 Cyclin B1 (F7U1O) Rabbit mAb #61976 对石蜡包埋的人结肠腺癌组织进行免疫组织化学分析。如果检测到 DNA 损伤，则 Cyclin B1/CDK1 复合物会受到抑制。

DNA 复制压​​力下的检查点反应

癌症基因组不稳定性的一个主要诱因是复制压力，当细胞的 DNA 复制机制停滞或发生故障时就会发生这种情况，尤其是在快速分裂的细胞中，例如肿瘤中的细胞。复制压力会导致长段单链 DNA (ssDNA) 暴露，从而激活检查点信号转导级联。ssDNA 区域被复制蛋白 A (RPA) 快速覆盖，RPA 会募集并激活 ATR-ATRIP 复合物，随后 Chk1 和 TopBP1 等检查点蛋白就会参与其中。

使用 Phospho-Chk1 (Ser317) (D12H3) XP^® Rabbit mAb #12302（绿色）对未经处理（左图）或经紫外线处理（右图）的 HeLa 细胞进行免疫荧光分析。肌动蛋白丝用 DY-554 鬼笔环肽（红色）标记。紫外线引起的复制应激会导致 Chk1 磷酸化。

该检查点信号转导级联可稳定 DNA、重新开始复制​​并有助于防止危险的双链断裂。例如，暴露于紫外线会导致 DNA 损伤，从而触发 Chk1 磷酸化以阻止细胞周期并在细胞分裂前促进 DNA 修复。

治疗：PARP 抑制剂、免疫检查点抑制剂和小分子

由于肿瘤细胞通常缺乏至少一种 DNA 修复通路或检查点，因此它们通常比健康细胞更容易受到 DNA 损伤剂的攻击。因此，顺铂、卡铂、奥沙利铂等铂类化疗药物被广泛用于治疗癌症。这些药物通过诱导难以修复的 DNA 损伤，从而导致癌细胞凋亡。

另一种成功的治疗干预类型涉及抑制 PARP（一种重要的 DNA 修复酶）。PARP 抑制剂在治疗 BRCA1/2 缺陷型癌症（例如某些乳腺癌）方面特别有效，它们会引起合成致死效应——通过同时破坏两条 DNA 修复通路来诱导癌细胞死亡。BRCA1 和 BRCA2 在同源重组修复中发挥关键作用。缺乏功能性 BRCA 基因的癌细胞依赖 PARP 来修复单链断裂。当这些细胞中的 PARP 受到抑制时，两种主要修复途径同时受损，从而导致 DNA 损伤的积累，最终引发细胞死亡。正常细胞保有功能性的 BRCA1/2 和同源重组修复能力，可以在 PARP 抑制下存活，这使得这种方法对肿瘤细胞具有高度选择性。

使用 BRCA1 (E5S9G) Rabbit mAb #50799 在 Leica BOND RX 上对石蜡包埋的人类乳腺导管癌进行免疫组织化学分析。在该肿瘤中发现 BRCA1 意味着患者对 PARP 抑制剂治疗的反应率较低。

正在研究用于治疗靶向的其他 DNA 修复酶包括 DNA-PK 和检查点蛋白 Chk1 和 Chk2。WRN 解旋酶是 RecQ DNA 解旋酶家族的成员，通过其在 DNA 复制、重组和修复中的作用帮助维持基因组稳定性，其抑制剂也正在被研究用于治疗具有高度微卫星不稳定性 (MSI) 的癌症。

除此之外，干扰 p53-MDM2/MDM4 相互作用的小分子以及抑制 Aurora B 和 CDK12 的小分子正在开发中。CDK12 是一种转录激酶，通过促进长而复杂的 DNA 修复基因（包括对同源重组至关重要的基因）的表达来保护基因组稳定性。CDK12 的突变或抑制可导致 DNA 修复缺陷，从而使肿瘤细胞对 DNA 损伤类治疗更加敏感。

此外，免疫检查点抑制剂正被用于治疗突变负荷较高的癌症类型，例如与错配修复缺陷 (dMMR) 和 MSI 相关的癌症，这些疾病是由 MMR 系统缺陷引起的，使癌细胞更容易发生突变。

靶向基因组不稳定性癌症治疗的未来方向

鉴于癌症的复杂性，研究人员必须继续开发创新疗法。正在实施的策略包括 PARP 抑制剂以外的合成致死方法，以及 DNA 修复抑制剂与其他疗法（包括细胞周期进展抑制剂）的结合。使用液体活检检查循环肿瘤 DNA (ctDNA) 中关键 DNA 修复蛋白的突变也越来越普遍，这将有助于患者分层并实现个体化医疗。

我们对癌症及其潜在机制了解得越多，就越接近治愈癌症的方法。

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参考文献

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   25-HMC-24850