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泛癌种标志物(一):同源重组缺陷HRD

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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


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


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


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


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


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


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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