随着肿瘤精准医学的不断发展，泛癌种生物标志物为肿瘤靶向治疗和免疫治疗提供了更多的可能性。所谓泛癌种生物标志物（Tumor-agnostic Biomarkers），指不需要考虑肿瘤来源于哪个组织部位，可直接用于指导治疗方案选择的分子特征或生物标志物[1]。本篇文章中，我们将重点介绍一种泛癌种生物标志物——同源重组缺陷 (Homologous Recombination Deficiency, HRD)。
什么是HRD
基因组的完整性是细胞维持基本生存、发挥正常功能的必要条件。基因组不稳定是肿瘤发生的潜在因素之一，而DNA损伤是导致基因组不稳定的主要原因之一，通常被称为肿瘤的印记[2]。
DNA的损伤分为单链损伤（single strand break，SSB）和双链损伤（double strand break，DSB），需要不同的修复机制进行修复。
针对单链损伤，有碱基切补修复（Base Excision Repair，BER）、核苷酸切补修复（Nucleotide Excision Repair，NER）和错配修复（Mismatch Repair，MMR）三种修复方式。
针对双链损伤，有同源重组修复（Homologous recombination repair，HRR）和非同源末端连接修复（Non-homologous End Joining，NHEJ）两种修复方式。
双链损伤的发生概率虽然较低，但其造成的影响却很严重。如果不能及时修复，将导致细胞基因组不稳定，进而凋亡或者引起癌变[3]。
同源重组修复（HRR）是一种作用于DNA双链断裂和链间交联（ICL）的DNA修复途径[4]，当HRR出现功能异常，无法修复DNA损伤时，我们称之为同源重组缺陷（HRD），而当HRR功能正常时，我们称之为具有同源重组修复能力，即HRP（homologous recombination proficient）。
已知的引起HRD的因素包括HRR相关基因胚系突变或体细胞突变以及表观遗传失活[5]。HRR通路是一条涉及多个步骤的复杂信号通路，其中，BRCA1/2是HRR通路的关键基因，其他常见的HRR通路相关基因还包括ATM、BARD1、BRIP1、CDK12、CHEK1、CHEK2、FANCL、PALB2、RAD51B、RAD51C、RAD51D 等[5]。如果HRR基因出现失活突变/表观遗传失活则会导致HRR蛋白失去功能，最终引起同源重组修复功能异常，导致HRD。
导致HRD的因素[7]
HRD普遍存在于不同肿瘤中，报道显示，其在卵巢癌、乳腺癌、前列腺癌和胰腺癌中相对高发，约占所有癌种的85%[6]。
HRD的表现形式
当发生HRD时，细胞会启动非高保真的NHEJ方式进行双链损伤修复，这将导致基因出现插入/缺失等错误，基因组高度不稳定性。此时在整个基因组上产生的变异特征，我们称之为基因组瘢痕（Genomic Scar，GS）。
GS的表现形式有三种，分别是杂合性缺失（Loss of Heterogeneity，LOH）、端粒等位基因不平衡（Telomeric Allelic Imbalance, TAI）和大片端迁移（Large-scale State Transitions, LST）。
杂合性缺失（LOH）是指基因的正常拷贝由于其染色体的大部分丢失而缺失，从而导致该基因杂合性缺失的情况。LOH评分定义为缺失区域超过15 Mb, 但小于整个染色体长度的LOH区域数量[8]。
LOH的定义[10]
研究显示，BRCA1/2 缺陷的样本具有更高的 LOH 评分[9]， LOH可用于评估同源重组缺陷。
端粒区域是位于染色体末端的重复核苷酸序列，作为DNA链的保护帽，防止DNA复制过程中功能基因的丢失。端粒等位基因不平衡（TAI）指的是不穿过着丝粒，延伸至染色体端粒末端的等位基因不平衡。TAI评分定义为TAI在肿瘤样本中出现的数量[8]。
TAI的定义[10]
研究显示，顺铂治疗敏感的三阴性乳腺癌患者TAI评分更高，提示TAI评分是铂类治疗敏感性的潜在预测因子[11]。
大片段染色体断裂通常由非同源末端连接引入，这是DNA修复过程的备用途径，表明同源重组修复缺陷。大片端迁移LST指的是两个长度至少在10Mb以上的相邻区域之间的染色体断裂点，且相邻距离不超过3Mb，不穿过着丝粒。LST评分定义为LST断点在肿瘤样本中的数量[8]。
LST的定义[10]
研究显示，LST评分与BRCA1/2失活有关，LST评分可作为BRCA1/2失活的标志物[12]，指导铂类药物和PARPi的治疗。
通过LOH、TAI、LST三个指标的检测，可以得出基因组不稳定性状态GIS评分（临床应用时常称之为HRD评分），进而评估HRD状态，结合这种染色体层面的检测可以对HRD状态做出更全面的评估，从而最大限度扩大PARP抑制剂临床获益人群。
HRD与药物治疗
PARP（Poly ADP-ribosepolymerase）是一种聚腺苷二磷酸核糖聚合酶，有十几种亚型，其中PARP1和PARP2主要通过碱基切除修复（BER途径）在单链损伤修复中发挥关键作用。PARP抑制剂（PARPi）抑制PARP介导的DNA单链断裂修复作用，促进DNA单链断裂（SSB）变异积累，导致细胞出现双链断裂（DSB），这种DNA损伤仍然可以通过HRR来修正，但是如果出现HRD，则DSB无法得到修复，从而引起细胞死亡（合成致死原理）。
PARP抑制剂作用原理
铂类药物（Pt）是一类临床应用非常广泛的肿瘤化疗药物，主要包括卡铂（carboplatin）、顺铂（cisplatin）、奥沙利铂（oxaliplatin）等。该类药物进入细胞后会与核内DNA形成Pt-DNA加合物，产生DNA链间交联，这是一类非常严重的DNA损伤。HRR是修复链间交联最为准确的DNA损伤修复系统，在HRD状态下，使用铂类药物会导致肿瘤细胞之间的DNA损伤无法通过HRR进行修复，从而推动细胞的死亡。
铂类药物作用原理
作为一种新型泛癌种生物标志物，HRD在癌症个体化治疗的过程中发挥着重要作用。HRD状态可提示肿瘤细胞对PARP抑制剂和铂类药物的敏感性，因此，HRD检测在指导肿瘤患者选择合适的药物方面具有重要价值。
参考文献
[1] Michael Offin, D. L., Alexander Drilon. Vol. 38 184-187 (American Society of Clinical Oncology Educational Book, 2018).
[2] Hanahan, D. & Weinberg, R. A. Hallmarks of cancer: the next generation. Cell 144, 646-674, doi:10.1016/j.cell.2011.02.013 (2011).
[3] White, R. R. & Vijg, J. Do DNA Double-Strand Breaks Drive Aging? Mol Cell 63, 729-738, doi:10.1016/j.molcel.2016.08.004 (2016).
[4] Miller, R. E. et al. ESMO recommendations on predictive biomarker testing for homologous recombination deficiency and PARP inhibitor benefit in ovarian cancer. Ann Oncol 31, 1606-1622, doi:10.1016/j.annonc.2020.08.2102 (2020).
[5] Gonzalez, D. & Stenzinger, A. Homologous recombination repair deficiency (HRD): From biology to clinical exploitation. Genes Chromosomes Cancer 60, 299-302, doi:10.1002/gcc.22939 (2021).
[6] Nguyen, L., J, W. M. M., Van Hoeck, A. & Cuppen, E. Pan-cancer landscape of homologous recombination deficiency. Nat Commun 11, 5584, doi:10.1038/s41467-020-19406-4 (2020).
[7] https://www.hrdtesting.com/home/importance.html
[8] Sztupinszki, Z. et al. Migrating the SNP array-based homologous recombination deficiency measures to next generation sequencing data of breast cancer. NPJ Breast Cancer 4, 16, doi:10.1038/s41523-018-0066-6 (2018).
[9] Timms, K. M. et al. Association of BRCA1/2 defects with genomic scores predictive of DNA damage repair deficiency among breast cancer subtypes. Breast Cancer Res 16, 475, doi:10.1186/s13058-014-0475-x (2014).
[10] https://www.jkangpathology.com/slide/scarhrd/slides/scarhrd#5
[11] Birkbak, N. J. et al. Telomeric allelic imbalance indicates defective DNA repair and sensitivity to DNA-damaging agents. Cancer Discov 2, 366-375, doi:10.1158/2159-8290.CD-11-0206 (2012).
[12] Popova, T. et al. Ploidy and large-scale genomic instability consistently identify basal-like breast carcinomas with BRCA1/2 inactivation. Cancer Res 72, 5454-5462, doi:10.1158/0008-5472.CAN-12-1470 (2012).
作者：Lucy 审核：小鱼 排版：Moro
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