靶向PARP-1 调控肿瘤细胞放射敏感性的研究进展

余晓军 左代英 侯文彬 李祎亮

1 中国医学科学院北京协和医学院放射医学研究所，天津市放射医学与分子核医学重点实验室 300192；2 沈阳药科大学 121000

聚腺苷二磷酸核糖聚合酶[poly（adenosine diphosphate-ribose）polymerases，PARP]是一种能够催化二磷酸腺苷（adenosine diphosphate，ADP）核糖向靶蛋白转移的酶家族。PARP-1 作为一种重要因子参与到DNA 损伤修复过程中，促进DNA修复，恢复肿瘤细胞的增殖。因此，靶向抑制PARP-1 协同DNA 损伤剂成为一种极具潜力的治疗策略。我们对PARP-1 作为肿瘤细胞放射增敏靶点的研究进展进行简单综述。

1 PARP-1 简介

Singh 等[1]首次从鸡肝细胞核中提取出了PARP-1，其属于腺苷酸核糖转移酶家族，除此之外已有17 个家族成员被发现。由于其在保守的催化结构域上具有同源性，因此，它们均有催化ADP 核糖转移到自身及靶蛋白的能力[2]。其中，研究者对PARP-1 的研究最为广泛，其结构已得到表征，由3 个主要结构域组成，包括由锌指基序组成的氨基末端DNA 结合结构域、含有乳腺癌易感蛋白C 末端（BRCT）的中央自动修饰结构域和高度保守的羧基末端催化结构域[3]，这些结构域共同介导PARP-1 对不同种类DNA 损伤的反应。PARP-1 的主要作用是当接收到DNA 损伤信号时，会以ADP的供体烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）为底物，将一种带负电荷的聚ADP 核糖聚合物（PAR）连接到自身和其他靶蛋白上，这种翻译后修饰有助于放松染色质并招募修复蛋白对损伤部位进行修复[4-5]。

2 PARP-1 的生物学功能

2.1 DNA 损伤修复

有研究结果发现，D NA 损伤剂诱导的DN A损伤会伴随着PARP 活性的增加，这提供了PARP在DNA 损伤修复过程中发挥重要作用的证据[6]。早期的研究主要集中于PARP-1 参与DNA 单链断裂修复和碱基切除修复，而最新的研究结果证实，PARP-1 在核苷酸切除修复、DNA 双链断裂修复（包括同源重组修复和经典非同源末端连接修复）、错配修复、替代非同源末端连接和微同源介导的末端连接中都发挥着一定的作用[7-8]，其中具体的机制尚未得到阐明。

Bryant 等[9]和Farmer 等[10]通过动物实验研究结果发现，当乳腺癌相关抗原或其他同源重组修复相关蛋白发生突变或缺失时，导致的同源重组修复缺陷细胞可以通过抑制PARP 显著诱导细胞凋亡，并将其纳入了1920 年提出的合成致死性这一概念中。之后有研究结果发现，除乳腺癌相关抗原外，还有其他基因与这一机制类似，如张力蛋白同系物，其是胞内磷脂酰肌醇激酶（PI3K）途径的负调节因子，也可与PARP-1 协同作用引起合成致死[11]，但究其本质也是PARP-1 通过参与DNA 损伤修复来实现的。

2.2 其他

参与DNA 损伤修复是PARP-1 抑制剂无论作为单药治疗还是联合治疗的主要作用基础。除此之外，PARP-1 的激活还能够稳定复制叉、重塑染色质结构[12]以及通过调节代谢来诱导细胞程序性死亡[8]。因此，在肿瘤细胞命运的确定中，PARP-1会通过整合细胞增殖、代谢和DNA 损伤等之间的信号发挥重要作用。

3 PARP-1 作为放射增敏靶点的潜在机制

最初开发PARP-1 抑制剂是以诱导合成致死为基础，针对同源重组修复缺陷的肿瘤类型，作为单药治疗推向临床。但是研究结果显示，单药治疗不仅毒性大，不良反应多，并且在治疗时存在很大的局限性[13-14]。鉴于PARP-1 在DNA 损伤修复中的作用，越来越多的研究者考虑将其与传统化疗药物和放疗相结合，在降低各自毒性的情况下，提升整体疗效。有研究者在小鼠肿瘤模型体内验证了用PARP-1 抑制剂联合红外放射与单独抑制剂或单独红外处理相比，小鼠的生存期得到延长，这提供了令人信服的证据[15]。时至今日，多项研究结果已证明，PARP-1 在不同类型的肿瘤中可以充当放射增敏的靶点[16]。

3.1 复制期特异性增敏

Jain 和Patel[17]进行了PARP 抑制剂对人类肿瘤细胞和啮齿类动物肿瘤细胞的放射增敏效果差异性比较的研究，结果发现，抑制剂的放射增敏效果是S 期细胞所特有的，而人类细胞在G2/M 期和G1 期的累计长度导致了人类S 期细胞受到辐射的机会相对较少，从而使抑制剂对人类肿瘤细胞的放射增敏效果弱于啮齿类动物。之后的研究结果发现，PARP-1 抑制剂的放射增敏作用具有S 期特异性，这不仅适用于毛细血管共济失调突变基因缺陷的成纤维细胞[18]，而且在人肺癌、乳腺癌、人脑胶质瘤以及头颈癌细胞中也相继得到验证[19-22]，其主要机制是通过在复制期细胞中抑制受损DNA 的修复，加剧DNA 损伤来诱导细胞凋亡。也正是因为PARP-1 抑制剂主要对S 期细胞有放射增敏作用，因此有团队比较后结果发现，内源性的PARP-1沉默会比施加PARP-1 抑制剂具有更好的放射增敏作用[23]。

3.2 复制期无关性增敏

Löser 等[18]在DNA 连接酶Ⅳ缺乏的成纤维细胞中观察到了复制期无关性放射增敏作用。同样地，Kötter 等[24]对比几种不同的肿瘤细胞系后，结果发现，PARP-1 抑制剂会以一种不依赖于复制的方式增强细胞的放射敏感性，因为使用DNA 聚合酶抑制剂阿非迪霉素（Aphidicolin）来抑制DNA 复制并不影响放射增敏效果。紧接着他们确定了这些细胞的修复方式已经从经典的非同源末端连接途径转变为更不准确的选择性末端连接途径，这种途径强烈依赖PARP-1，这与他们之前的研究结果一致[25]。而Oing 等[26]最新的研究结果发现，B 淋巴细胞瘤2 基因（Bcl-2）过表达的前列腺癌也依赖于这种选择性末端连接途径修复从而对PARP-1 抑制剂表现出放射敏感性，并证明B 淋巴细胞瘤2 基因（Bcl-2）的过表达可能介导了非同源末端连接途径向选择性末端连接途径的转变，这一发现极有可能拓宽PARP-1抑制剂在癌症治疗中的使用范围。

3.3 影响细胞周期

Barreto-Andrade 等[27]的研究结果发现，PARP-1抑制剂在某些特定类型的前列腺癌细胞中会诱导肿瘤细胞的快速衰老，他们认为衰老可能是一个增加抑制剂放射敏感性的因素。Alotaibi 等[28]在人结肠癌细胞实验中进一步验证了这一结论，但是实验结果发现，这种诱导的衰老细胞在若干天后会恢复肿瘤增殖，这一现象可能解释了PARP-1 抑制剂短暂的放射增敏效果。Mangoni 等[29]研究结果发现，PARP-1 抑制剂可以增强横纹肌肉瘤细胞的放射敏感性，主要表现为抑制肿瘤细胞的增殖，特别是抑制G2/M 期和衰老细胞比例的增加。另外他们的实验结果还支持PARP-1 抑制剂参与调节细胞外调节蛋白激酶（ERK1/2）信号通路的理论，这在其他细胞系中也得到了验证[30]。

3.4 其他

Vance 等[31]的研究首次评估了细胞周期检查点激酶1（Chk1）抑制剂与PARP-1 抑制剂联合后的放射增敏效果，结果发现，其可以显著增加P53 基因突变导致的胰腺癌细胞的放射敏感性，且对正常细胞几乎没有毒性和放射增敏效果，可能机制是通过G2 检查点消除和同源重组修复抑制，导致未修复DNA 损伤的累积。该团队进一步的研究是选取相似的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶1（Wee1）抑制剂与PARP-1 抑制剂联合，结果同样发现其可以增加对胰腺癌细胞的放射敏感性，这表明PARP-1 抑制剂与取消G2 检查点的靶向药物组合可能与辐射一起引发合成致死[32]。这一结果不仅验证了PARP-1 抑制剂的放射增敏效果，还引起了人们对多靶向联合抑制剂协同增敏的浓厚兴趣。类似地，Azad 等[33]将DNA 依赖性蛋白激酶抑制剂与PARP-1 抑制剂进行联合使用，验证了其在非小细胞肺癌中的放射增敏效果，结果表明，其主要放射增敏效果是通过加速细胞衰老来实现。

Zhou 等[34]和Chen 等[35]的研究结果发现，PARP-1 抑制剂可以通过一磷酸腺苷依赖的蛋白激酶（AMPK）/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）途径调节放射诱导的保护性自噬，这一结果证明辐射诱导的自噬是肿瘤细胞的一种保护行为，抑制PARP-1可以抑制自噬从而增加人鼻咽癌细胞的放射敏感性。另外，王维等[36]和杨莹等[37]分别在Lewis 肺癌和子宫内膜癌的试验中也验证了PARP-1 抑制剂的放射增敏性。这些最新的研究结果进一步地揭示了PARP-1 作为放射增敏靶点在不同肿瘤中的共性和差异性，为之后的研究工作提供了思路和基础。

4 面临的挑战

PARP-1 作为放射增敏靶点极具潜力，市场上也出现了高效的精准化抑制剂商品。但是，目前还没有文献报道PARP-1 抑制剂与放疗联合治疗的临床数据，想要将PARP-1抑制剂协同放疗应用到临床上还存在一些挑战。

4.1 作用机制的深入研究

虽然PARP-1 对DNA 的修复很重要，但其作用机制并不清晰，难以明确其定义和分类。尽管研究者对PARP-1 与DNA 损伤修复的研究持续深入，但是仍未阐明其精准的作用机制，对其上下游信号并不了解，无法为临床使用提供有力的理论依据。此外，不同类型的肿瘤对抑制剂联合放疗呈现出不同的放射敏感性，肿瘤异质性决定着抑制剂联合放疗在其中发挥作用的途径不会完全相同，这需要研究者继续深入探究。

4.2 预测性生物标志物的鉴定

PARP-1 抑制剂作为单一药物是治疗乳腺癌易感基因缺陷型癌症的有效工具，而非基因缺陷型癌症则需要PARP-1 抑制剂联合放疗或其他手段进行有效治疗，但并不是所有DNA 修复相关或者能引起合成致死的基因都是已知的，鉴定DNA 损伤反应蛋白和修复途径的基因突变或许是选择PARP-1抑制剂治疗癌症的主要标准之一。此外，通过基因特征也可以确定某一类肿瘤是否对PARP1 抑制剂有反应。Liu 等[38]在膀胱癌模型实验结果中发现，PARP-1 抑制剂的放射增敏效果依赖于P53 功能的丧失，多种细胞系的研究结果还表明，P53 功能缺失所介导的PARP-1 抑制剂放射增敏性可能与细胞系无关，这暗示了P53 有望成为一个生物标志物，从而对PARP-1 抑制剂的增敏效果进行预测。在这之前，Mao 等[39]研究结果发现，低剂量的PARP-1抑制剂可以使胆管癌细胞对辐射敏感，并提出辐射诱导的聚ADP 核糖聚合物（PAR）增加也可以预测PARP-1 抑制剂的放射增敏性。这些结果只在部分肿瘤中验证了可行性，所以继续寻找并确定可靠的具有特异性的预测性生物标志物，将有助于PARP-1 抑制剂治疗策略的选择。

5 小结与展望

回顾之前大量的实验成果，我们有理由相信PARP-1 抑制剂在不久之后会被开发成为放射增敏剂并走向临床。但在此之前仍迫切地需要研究者对PARP-1 抑制剂与放疗联合治疗的有效性和安全性进行广泛地研究，且针对不同的肿瘤进行深入研究，探索联合治疗策略在不同类型肿瘤中所发挥的作用及具体机制，为其早日走向临床试验奠定基础。

利益冲突本研究由署名作者按以下贡献声明独立开展，不涉及任何利益冲突。

作者贡献声明余晓军负责综述的撰写和修订；左代英、侯文彬负责文献的收集与整理；李祎亮负责综述命题的设计和审阅。