염색체 손상은 주로 수산화물 이온의 영향으로 발생

지난 수십 년 동안 DNA 손상 반응(DDR) 경로에 대한 이해가 높아지면서 종양학의 치료 환경이 넓어졌습니다. DNA 손상 반응의 결함으로 인한 세포 게놈의 불안정성이 암 발병에 기여한다는 것이 점점 더 분명해지고 있습니다. 반면에 이러한 결핍은 치료의 기회가 될 수도 있습니다. 점점 더 많은 DDR 표적 약물이 PARP, ATM, ATR, CHK1, WEE1 및 DNA-PK를 포함하여 DDR 경로에 관련된 여러 구성원의 억제제로 빠르게 확장되었습니다.

현재 이러한 DDR 성분 억제제 중 일부는 임상 연구 중에 있습니다. 또한, 기존 암 치료법에 대한 DDR 억제제의 민감도와 DDR 경로와 면역관문억제제(ICI) 반응 사이의 상관관계를 입증하는 새로운 증거는 DDR 억제제 기반 병용 요법을 촉진합니다. DNA 복구 경로를 표적으로 하는 약물은 암 치료에서 점점 더 중요한 역할을 하고 있습니다.

DNA 손상 및 DNA 손상 반응

게놈의 무결성을 유지하기 위해 복잡한 DNA 복구 시스템을 사용하여 다양한 형태의 DNA 손상을 방지합니다. 이러한 메커니즘을 DNA 손상이라고 합니다. 반응. DDR 경로는 DNA 손상을 감지하는 센서, 신호 전달 계통을 유발하는 신호 변환기, DNA 복구를 방해하는 작동기 등 기능적으로 얽힌 세 부분으로 나뉩니다. 이러한 경로는 상호 배타적인 과정이 아니지만 서로 협력하여 DNA 복구를 위한 정확한 조절 네트워크를 형성합니다.

염기절제복구(BER)와 뉴클레오티드절제복구(NER)

모든 유기체의 게놈은 내인성 활성산소종 등 생성되는 다양한 유전독성 물질로 인해 끊임없이 미묘한 변화를 겪고 있습니다( ROS), 이온화 ​​방사선, 알킬화제 및 기타 환경 손상. 단일 가닥 절단(SSB)과 같은 DNA의 대부분의 사소한 변화는 BER 경로를 통해 복구됩니다.

BER은 먼저 손상된 염기에 의해 시작되고, 그 다음 염기가 절단되어 새로 합성된 DNA로 대체됩니다. 그런 다음, 아퓨린/아피리미딘 엔도뉴클레아제(APE)가 AP 부위를 절단하여 손상 부위에 3'OH 말단을 형성합니다. 마지막으로, 손상된 염기를 제거하여 생성된 뉴클레오티드 간격에 DNA 중합효소와 DNA 리가아제가 동원되어 간격을 닫습니다. BER은 작은 손상을 복구하는 역할을 담당하는 반면, DNA 나선 구조를 변형시키는 더 큰 이중 가닥 파손(DSB)에는 NER 경로 복구가 필요합니다. NER 메커니즘에는 중단점 근처의 DNA를 제거한 다음 이를 정상적인 DNA 복제로 대체하는 핵심 단백질인 절단 복구 교차 보완 단백질 1(ERCC1)이 포함됩니다.

상동성 재조합(HR)과 비상동성 말단 결합(NHEJ)

포유류 세포에서 HR과 NHEJ는 DSB를 복구하는 두 가지 주요 경로입니다. 상동 자매 염색체는 새로운 DNA 합성을 위한 주형이 필요하기 때문에 HR 경로는 S/G2 세포 주기 단계에서 DSB를 복구할 수 있는 반면 NHEJ는 M 단계를 제외한 모든 세포 주기 단계에서 활성화됩니다.

HR은 게놈의 다른 부분에서 상동 서열을 분석하고 중단 위치에서 손실된 정보를 수집합니다. HR은 먼저 깨진 끝 부분을 절제한 다음 Brca2와 Rad51을 통해 Rad51 핵단백질 필라멘트를 형성하고 상동 서열을 검색하기 시작하며 깨진 DNA와 상동 주형 사이의 연결 분자 형성을 촉진하여 복구를 완료합니다.

NHEJ는 HR보다 간단하여 끊어진 끝을 직접 다시 연결합니다. NHEJ에 필요한 필수 인자는 Ku70/Ku80과 DSB를 인식하고 XRCC4, XLF, DNA Ligase와 같은 NHEJ의 하류 신호 전달 인자를 촉진하는 DNA 의존성 단백질 키나제(DNA-PKcs)의 촉매 하위 단위로 구성된 이종이량체입니다. IV. NHEJ 메커니즘은 더 간단하지만 때로는 재배열로 이어지는 반면 HR은 오류가 없는 것으로 간주됩니다.

HR 및 NHEJ 외에도 이 두 가지 주요 DSB 복구 경로와 유사한 메커니즘을 가지고 있지만 유전적으로 구별되는 DSB 복구 경로를 대체 말단 결합(a-EJ) 경로라고 합니다. a-EJ 경로는 HR*과 유사한 개시 과정을 공유할 수 있으며 NHEJ와 같은 상동 주형 없이 DNA 말단 결합 인자를 형성할 수도 있습니다. 현재 NHEJ 또는 HR 활동이 손상된 암세포에 대한 잠재적인 치료 표적으로 a-EJ 경로에 초점을 맞추는 연구가 점점 더 많아지고 있습니다.

불일치 복구(MMR)

유전자독소에 노출된 세포로 인해 발생하는 손상 외에도 DNA 손상은 비정상적인 DNA 처리로 인해 발생할 수도 있습니다. 복제 관련 오류를 표적으로 삼는 DNA 복구 경로를 MMR이라고 합니다. DNA 합성 중에 MMR은 뉴클레오티드의 잘못된 통합을 교정하여 분열하는 세포에서 영구적인 DNA 변화를 방지합니다. 따라서 유전적 돌연변이 또는 후생적 침묵으로 인한 MMR 결함은 종종 유전성 및 산발성 암과 관련된 자발적인 돌연변이의 발생률을 증가시킬 수 있습니다.

전이 합성 및 템플릿 교체

DNA 손상 내성(DDT)은 복제 지연 DNA 손상을 복구하는 기본 우회 메커니즘 역할을 하여 DNA 복제가 차단 요소를 통과할 수 있도록 합니다.

TLS(전이 합성)는 DDT의 두 가지 별개 모드 중 하나이며 손상 부위 전체에 직접 복제할 수 있는 복제 DNA 중합효소가 아닌 특수 TLS 중합효소의 기능에 의존합니다. TLS 메커니즘은 TLS 폴리머라제의 교정 활성이 부족하여 오류가 발생하기 쉬우며, 이로 인해 돌연변이 위험이 증가합니다. 당연히 TLS는 세포 돌연변이의 주요 원인입니다.

반대로, DDT의 또 다른 모드인 주형 치환(TS)은 자매 염색분체의 상동성 DNA 주형으로의 재조합을 포함하는데, 이는 HR 과정과 유사하며 TLS보다 더 정확한 것으로 간주됩니다. TLS와 TS의 복구 활동은 복제 포크 이후에 시작됩니다. 이는 DNA 복제 중 또는 후에 발생할 수 있음을 시사합니다. TS는 초기 S 단계에서 시작되고 TLS는 후기 S 단계에서 시작됩니다.

판코니 빈혈(FA) 경로

판코니 빈혈은 판코니 유전자의 이중 대립유전자 돌연변이로 인해 발생하는 드문 유전 질환으로 환자가 DNA 손상에 대해 부적절한 반응을 보이는 데 영향을 미칩니다. 판코니 빈혈은 DNA 가닥간 교차결합(ICL)으로 알려진 DNA 복제 및 전사를 방해하는 장벽을 제거하는 DNA 복구 경로로 확인되었습니다.

ICL은 다양한 대사 반응(예: 지질 과산화 및 에탄올 대사) 및 화학 요법(예: 백금) 중에 알데히드로부터 형성될 수 있습니다. 사슬 내 교차결합은 NER 경로를 통해 복구되는 반면, ICL은 주로 FA 경로를 통해 복구됩니다. UHRF1 단백질과 FANCM-MHF1-MHF2 복합체에 의해 ICL이 검출되면 FA 핵심 복합체는 염색질로 모집되어 기질 FANCI와 FANCD2를 단일유비퀴틴화합니다. 유비퀴틴화된 FANCD2-I는 ​​다양한 DNA 엔도뉴클레아제에 대한 스캐폴드 단백질을 모집하여 교차 결합에서 DNA 인식과 뉴클레오티드 절단을 완료함으로써 재조합 복구에 적합한 DNA 기질을 얻습니다.

O6-메틸구아닌-DNA 메틸전이효소 경로

DNA 메틸화제가 DNA 메틸화를 억제하고 O6-메틸구아닌(O6MeG)과 같은 광범위한 DNA 부가물을 생성할 수 있다는 것은 잘 알려져 있습니다. 및 O4-메틸티민(염기 불일치 및 후속 점 돌연변이로 이어질 수 있음). 그중 O6MeG는 메틸화 물질에 의해 유도되는 DNA 부가물의 주요 공급원으로 간주되며, 이는 돌연변이 및 발암을 유발할 수 있습니다.

O6MeG는 O6-메틸구아닌-DNA 메틸트랜스퍼라제(MGMT라고도 함)에 의한 단일 단계 자살 반응으로 복구될 수 있습니다. MGMT는 손상된 구아닌 O6 위치의 메틸기를 시스테인 잔기로 옮겨 유전적 돌연변이를 예방한다. MGMT는 암세포에서 알킬화제의 효과를 감소시켜 잠재적으로 화학요법 저항성을 유발할 수 있다고 생각됩니다. MGMT 프로모터의 메틸화는 전사를 차단하므로 알킬화제에 대한 세포 민감도를 높이는 데 사용될 수 있습니다.

DDR 치료 적용 메커니즘

정상 세포와 비교하여 DNA 손상에 대한 종양 세포의 민감도 증가의 기본 메커니즘은 세 가지 주요 측면에 있습니다. 적어도 하나의 DDR 경로에 결함이 있습니다. , 복제 스트레스가 증가하고 내인성 DNA 손상이 증가합니다.

DDR 결함

DDR 결함이 암의 발생 및 진행과 관련이 있지만 DDR 경로의 결함은 종양 세포를 표적으로 삼는 치료 기회도 제공합니다. DDR 결함이 있는 종양 세포는 게놈 불안정성을 높이고 생존을 위해 나머지 DDR 경로에 의존합니다. 치료적 접근법으로서 남아있는 DNA 복구 경로를 조합적으로 표적화함으로써 "합성 치사율"이라는 개념이 탄생했습니다.

합성 치사율의 개념은 두 가지 동시 기능 상실 유전적 사건에 기반을 두고 있으며, 둘 중 하나만 단독으로는 손상을 일으키지 않지만 함께 작용하여 세포 사멸을 유발합니다. 암세포 특이적 DDR 경로에서 유전적 변형이 발생하면 DDR 억제제로 인한 두 번째 기능 상실 현상이 정상 세포에 영향을 주지 않고 암세포에 종합적으로 치명적이 됩니다.

복제 스트레스

진핵 세포의 복잡한 DNA 복제 시스템은 세포 분열 중 세포 주기의 다양한 단백질에 의해 엄격하게 조절됩니다. 많은 DNA 뉴클레오티드는 세포의 항상성을 보장하기 위해 정밀한 중합이 필요합니다. 복제 포크 진행을 방해하거나 종료하는 내인성 또는 외인성 장애물은 복제 스트레스라고 불리는 보존된 세포 반응 경로를 활성화합니다.

복제 스트레스의 분자적 메커니즘은 DNA 중합효소 진행이 정지되고 그에 따라 DNA 헬리카제에서 DNA 중합이 분리되는 것입니다. 복제 스트레스를 유발하는 예로는 pRb 기능 상실, CDKN2A 상실 또는 사이클린 D1 또는 사이클린 E 증폭으로 인해 발생할 수 있는 G1/S 세포 주기 체크포인트 결함이 있습니다.

내인성 DNA 손상

일부 내인성 DNA 손상은 탈퓨린화 및 디피리미딘화와 같은 중성 pH 조건에서 낮은 농도의 수소 이온 및 수산기 이온의 작용으로 인해 발생합니다. 세포내 환경은 또한 염색체 DNA에 다른 위험을 초래하는데, 그 중 가장 심각한 것은 산화 과정에서 발생합니다. ROS와 같이 미토콘드리아에서 생성된 일부 중간 생성물은 미토콘드리아에서 누출되어 세포질로 들어갈 수 있습니다. 이러한 중간체에는 과산화물 이온, 과산화수소 및 수산기 라디칼이 포함됩니다. 종양 대사에서는 종양 미세환경(TME)에서 낮은 pH, 저산소증, 높은 수준의 ROS가 널리 퍼져 있습니다.

DNA 복구 경로를 표적으로 하는 억제제

DDR 결핍을 이용하는 현재의 항암 전략은 주로 DNA 복구 과정에 관여하는 분자를 억제하는 표적 약물의 개발을 통해 해결됩니다.

PARP(폴리 ADP-리보스 폴리머라제) 억제제

PARP 억제제의 개발은 합성 치사율의 전형적인 예입니다. PARP1과 PARP2는 음전하를 띤 폴리ADP-리보스(PAR) 사슬로 표적 단백질을 변형하여 DNA 손상을 감지하고 신호를 전달하는 핵심 DDR 효소입니다. 손상된 DNA에 결합한 후 PARP1의 구조적 변화는 촉매 기능을 활성화하여 DNA 복구 효과기 분자의 동원과 DNA 손상 부위 주변의 염색질 구조적 리모델링을 촉진합니다. 염색질의 동적 리모델링은 DNA 복구 효율성에 큰 영향을 미칩니다.

효율적인 DNA 복구를 촉진하는 PARP의 중요한 역할을 고려할 때 PARP 억제제는 상동 재조합이 부족한 종양 세포를 선택적으로 죽일 수 있습니다. PARP 억제제는 BRCA 돌연변이 종양에 대한 유망한 치료 전략입니다.

폴리 ADP-리보스 가수분해효소(PARG) 억제제

PARG는 DNA 손상 후 PAR 리보스 결합을 가수분해하여 PARP 효소의 효과를 역전시킵니다. 마찬가지로, DNA 복제 및 복구에서 PARG의 긍정적인 역할은 DNA 손상 물질에 대한 PARG 결핍 세포의 민감도를 증가시킵니다. 많은 연구에서 PARP 억제제와 합성 치사율 사이의 상관관계가 밝혀졌지만 PARG 억제제의 치료 메커니즘에 대한 연구는 뒤쳐져 있습니다.

유방암 세포에서 HR 단백질(예: BRCA1/2)의 손실은 PARG 억제제 세포의 합성 치사성을 자극할 수 있으며, PARG 억제제 COH34는 BRCA 돌연변이 또는 내성을 유도할 수 있다는 것이 보고되었습니다. 난소암과 유방암 세포의 올라파립이 죽는다. 그러나 다른 암세포에서는 상충되는 결과가 보고되었습니다. 테스트한 6개의 유방암 세포주 중 단 하나의 BRCA 결핍 세포주만이 PARG 억제제 PDD00017273에 민감했고, 5개의 세포주는 PDD00017273(BRCA 돌연변이 세포주 포함)에 대해 효과가 없었습니다.

***실조증 모세혈관 확장증 돌연변이 단백질(ATM) 억제제

DDR 신호 전달 계통은 ATM, ATR 및 DNA-PK가 관여하는 일련의 단백질 인산화에 의해 구동됩니다. 이 과정에서 핵심 키나아제. DNA 이중 가닥 절단에 의해 활성화된 ATM은 MRE11-RAD50-NBS1(MRN) 복합체에 의해 DSB 사이트로 모집됩니다. ATM 기질에는 p53, CHK1 및 CHK2가 포함되며 이들의 인산화는 S내 또는 G2/M 세포 주기 정지로 이어집니다.

ATM은 DNA 복구와 같은 다양한 분자 과정에서 표준적인 역할을 하지만 스플라이시오솜 교체를 포함한 비정형 기능도 있습니다. ATM은 종양 억제 인자로 간주되며 ATM 결함이나 돌연변이는 고형 종양과 B세포 림프종에서 흔히 발생합니다. ATM 돌연변이는 암에 걸리기 쉬운 신경퇴행성 질환인 모세혈관확장실조증을 유발할 수 있습니다. 현재 암 치료를 위해 여러 ATM 억제제가 연구되고 있습니다.

***실조증 모세혈관확장증 및 Rad3 관련 단백질(ATR) 억제제

DSB에 의해 유발되는 ATM과 달리 ATR은 복제 단백질 A(RPA)로 코팅됩니다. 단일 가닥 DNA가 활성화됩니다. 그리고 모집했습니다. 단일 가닥 DNA는 DSB의 핵분해 과정과 DNA 중합효소로부터 복제 DNA 헬리카제의 분리에 의해 생산될 수 있습니다. 세포내 ATR 신호전달은 일련의 하류 분자의 인산화를 포함하며, 세포주기 체크포인트 차단, DDR 및 세포사멸을 비롯한 광범위한 반응을 유발합니다.

PARP 등 다른 DDR 단백질에 비해 ATR 억제제의 개발은 상대적으로 뒤쳐져 있다. 이유에는 ATR 분자의 크기가 크고 결정 구조에 대한 이해가 부족하기 때문일 수 있습니다. 또한 모든 PIKK 중 상동성이 높은 활성 부위와 단백질 활성화 단백질에 대한 요구 사항으로 인해 약물 설계가 더욱 제한됩니다.

CHK1 억제제

체크포인트 키나제 CHK1은 일련의 조절 단백질을 인산화하고 모집하여 ATR과 ATM에 의해 시작된 DNA 손상 반응에 적극적으로 참여합니다. CHK1은 CDC25A를 인산화하여 S기 내 체크포인트를 조절하여 CDC25A의 분해를 유도하고 CHK1에 의한 CDC25C 및 WEE1의 인산화는 유사분열 및 G2/M 체크포인트를 조절합니다. 또한 CHK1은 Thr-309의 RAD51을 인산화하여 HR 동안 BRCA2와의 상호 작용을 촉진합니다. CHK1 수치의 상승은 더 나쁜 예후, 질병 재발 및 치료 저항성과 연관되어 CHK1 억제의 치료 가능성을 더욱 뒷받침합니다.

WEE1 억제제

DNA 손상에 반응하여 활성화된 ATR은 Chk1을 인산화하고, 이는 다시 WEE1과 CDC25를 인산화합니다. 인산화에 의해 활성이 억제되는 CDC25와 비교하여 WEE1은 활성화된 다음 하류 CDK1의 Tyr15 및 Thr14를 인산화하여 활성을 억제하여 G2/M 주기를 정지시키고 DNA 손상 복구 시간을 허용합니다. 또한 WEE1은 CDK1의 Tyr15를 인산화함으로써 DNA 복제가 완료되기 전에 S 단계에서 G2 단계로 진행되는 것을 방지할 수도 있습니다.

WEE1 억제제의 원리는 분명하지만, 치료 범위에 따라 임상 적용이 제한됩니다.

현재 대부분의 임상 연구는 WEE1 억제와 화학요법 약물의 병용 적용에 중점을 두고 있습니다.

DNA-PK 억제제

DNA 의존성 단백질 키나제는 DNA에 의해 활성화되는 세린/트레오닌 단백질 키나제이며 거의 모든 포유류 세포에서 풍부하게 발현됩니다. DNA-PK는 DNA 복구의 핵심 단백질 키나제이며 NHEJ 과정에 관여합니다. DNA-PK 발현의 상향조절은 위장암, 폐암, 간세포암종 등 다양한 종양 유형에서 관찰되었으며, 이는 더 높은 종양 등급 및 불량한 예후와 관련이 있습니다.

DNA-PK 억제제 개발은 주로 DNA-PKcs의 촉매 활성에 초점을 맞추고 있는 반면, DNA-PKcs 억제 마이크로RNA나 Ku 이종이량체 표적화 억제제와 같은 새로운 항-DNA-PKcs 방법은 ATP 결합 부위의 상동성 모델. 현재 DNA-PK 억제제에 대한 대부분의 임상 연구는 암 화학 요법 또는 방사선 요법과의 병용 효과에 중점을 두고 있습니다.