ДНК

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 12429 (2023) Цитировать эту статью

190 доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Терапия отравления топоизомеразой типа II (Top2) используется для лечения широкого спектра видов рака путем индукции двухцепочечных разрывов (DSB) в клетках, подвергающихся репликации и транскрипции. Предотвращение восстановления DSB посредством ингибирования DNA-PK, ингибитора негомологичного соединения концов (NHEJ), увеличивает гибель клеток ядами Top2 и привело к началу нескольких клинических испытаний. Чтобы выяснить клеточные механизмы, приводящие к синергетическому действию двойного ингибирования ДНК-PK/Top2, мы изучили их эффекты на циклических и нециклических клетках, на трехмерных сфероидах и на моделях ксенотрансплантатов. Было обнаружено, что комбинированное ингибирование ДНК-PK/Top2 не только увеличивает уничтожение клеток в пролиферирующих клетках, популяции клеток, которая обычно наиболее уязвима к отравлению Top2, но также и в непролиферативных, но транскрипционно активных клетках. Этот эффект наблюдался как на моделях рака, так и на моделях нормальных тканей: он убивал больше клеток, чем высокие концентрации только этопозида. Комбинированное лечение задержало рост опухоли у мышей по сравнению с отравлением только Top2, но также привело к повышенной токсичности. Эти результаты демонстрируют сенсибилизацию нециклических клеток, экспрессирующих Top2β, к отравлению Top2 за счет ингибирования ДНК-PK. Расширение целевой популяции клеток для лечения яда Top2 за счет включения непролиферирующих клеток посредством комбинации с ингибиторами восстановления повреждений ДНК имеет последствия для эффективности и токсичности этих комбинаций, в том числе для ингибиторов ДНК-РК, которые в настоящее время проходят клинические испытания.

Ферменты топоизомераза II (Top2) модулируют топологию ДНК во время репликации, транскрипции, хромосомной сегрегации и рекомбинации ДНК. Особенности структур ДНК, такие как сверхспирализация, цепочка и завязывание, делают ее труднодоступной для важных ферментов, обрабатывающих ДНК. Эту проблему решает связывание Top2, которое временно разрезает спираль ДНК, «распутывая» сложные структуры1. Возможность превратить эти временные перерывы в постоянные DSB делает Top2 привлекательной мишенью для терапии рака. Действительно, ДНК-топоизомеразы являются молекулярными мишенями для нескольких химиотерапевтических агентов, используемых для лечения солидных и гематологических злокачественных опухолей.

Механизмы и взаимоотношения структура-активность противораковых агентов, нацеленных на Top2, были недавно рассмотрены Buzun et al.2. Яды Top2, в том числе клинически активные препараты этопозид и доксорубицин, связываются и стабилизируют ковалентный комплекс Top2-ДНК во время репликации и транскрипции, а также предотвращают повторное сшивание разорванных концов ДНК. Существует две изоформы Top2, Top2α и Top2β, которые имеют схожую первичную структуру у человека. Хотя обе изоформы необходимы для хромосомной сегрегации и рекомбинации ДНК, Top2α высоко экспрессируется в пролиферирующих клетках, управляя репликацией ДНК3, тогда как Top2β играет более доминантную роль во время транскрипции и экспрессируется повсеместно4. При захвате ядами Top2 обе изоформы генерируют DSB ДНК, однако данные показали, что основной мишенью изоформы для клеточной цитотоксичности, опосредованной ядом Top2, является Top2α, поскольку клеточные линии с нокдауном/нокаутом Top2β не оказывают существенного влияния на этопозид IC505. Top2α является основной молекулярной мишенью для активности яда Top2, а уровни экспрессии Top2α используются в качестве прогностического биомаркера для скрининга онкологических больных, подходящих для лечения яда Top26. Таким образом, пролиферирующие клетки, экспрессирующие Top2α, наиболее уязвимы для лечения ядом Top2, хотя DSB ДНК также вводятся в дополнительные популяции, где активны другие изоформы Top2.

Двумя основными путями репарации DSB ДНК являются негомологичное соединение концов (NHEJ) и гомологичная рекомбинация (HR). HR происходит во время поздних фаз S/G2, когда сестринские хроматиды доступны в качестве матрицы последовательности для репарации и, следовательно, играют роль в репарации зависимых от репликации DSB ДНК, опосредованной отравлением изоформы Top2α. NHEJ возникает на протяжении всего клеточного цикла и восстанавливает разрывы ДНК, связывая два разорванных конца ДНК вместе. В целом, NHEJ является преобладающим путем репарации DSB ДНК в клетках млекопитающих, играя особенно важную роль для клеток на непролиферирующих стадиях клеточного цикла7. ДНК-зависимая протеинкиназа (DNA-PK), член семейства фосфатидилинозитол-3-киназ-родственных киназ (PIKK), была идентифицирована как ключевой компонент пути NHEJ и, следовательно, является новой мишенью для терапевтических разработок8.