Using NCI Panels for Synthetic Lethality Screening

NCI paneelide kasutamine sünteetilise letaalsuse sõelumiseks

Sünteetiline letaalsus on võimas ravistrateegia, mis kasutab ära vähirakkudele omaseid geneetilisi haavatavusi, säästes samal ajal normaalseid kudesid. Kui ühe geeni kaotus tekitab raku ellujäämiseks sõltuvuse teisest geenist, siis teise geeni inhibeerimine tapab selektiivselt vähirakke, mis kannavad esimest mutatsiooni. NCI-60 ja sellega seotud vähirakuliinide paneelid koos põhjaliku genoomilise iseloomustuse ja suure läbilaskevõimega sõeluuringu infrastruktuuriga on ideaalsed platvormid sünteetiliste letaalsete interaktsioonide süstemaatiliseks tuvastamiseks, mida saab kasutada täppisonkoloogias.

Peamised järeldused

• NCI vähirakuliinide paneelid võimaldavad genoomi ulatusega sünteetilise letaalsuse skriininguid, kasutades siRNA, shRNA ja CRISPR raamatukogusid
• Sõelumisandmete integreerimine genoomiliste annotatsioonidega võimaldab tuvastada genotüübispetsiifilisi sõltuvusi, mida saab terapeutiliselt ära kasutada
• BRCA1/2-PARP inhibiitorite sünteetiline letaalsus on näide edukast kliinilisest ülekandmisest rakuliinide sõeltestide põhjal
• Loss-of-function-ekraanid määratletud mutatsioonidega paneelides tuvastavad kontekstist sõltuvaid olulisi geene
• Arvutuslik lähenemine ennustab sünteetilise letaalsuse interaktsioone NCI paneelide multi-oomiliste andmete põhjal

Sünteetilise surmavuse sõelumise põhimõtted

Sünteetiline letaalsus tekib siis, kui kahe geeni samaaegne kaotus põhjustab rakusurma, samas kui ükskõik kumma geeni kaotus üksi on talutav. Vähi puhul tekitavad kasvajaspetsiifilised mutatsioonid sõltuvust partnergeenidest, mis muutuvad terapeutilisteks sihtmärkideks. Nende partnergeenide inhibeerimine tapab selektiivselt vähirakke, mis kannavad sensibiliseerivat mutatsiooni, säästes samal ajal normaalseid rakke, mille kompensatsioonirakud on puutumata.

NCI-60 paneeli põhjalik genoomiline annotatsioon võimaldab rakuliinide stratifitseerimist mutatsioonistaatuse järgi võrdleva sõelumise jaoks. Konkreetseid huvipakkuvaid mutatsioone sisaldavaid rakuliine võrreldakse metsikut tüüpi liinidega, et tuvastada geenid, mis on mutatsiooni kontekstis selektiivselt olulised. Selline isogeenselt sarnane võrdlus geneetiliselt mitmekesise paneeli puhul tuvastab tugeva sünteetilise letaalse koostoime, millel on potentsiaal kliiniliseks ülekandmiseks.

Kõrge läbilaskevõimega sõelumistehnoloogiad võimaldavad sünteetiliste letaalsete interaktsioonide genoomi ulatusega küsitlemist. siRNA ja shRNA raamatukogud, mis on suunatud kõikidele inimgeenidele, tuvastavad süstemaatiliselt vähirakkude ellujäämiseks olulised geenid. CRISPR-Cas9 knockout-skriinid tagavad suurema täpsuse ja vähendavad sihtmärgiväliseid mõjusid, mis raskendasid varasemaid RNAi lähenemisviise. Mõlemat tehnoloogiat on edukalt rakendatud NCI paneeli rakuliinides.

BRCA-PARP sünteetilise letaalsuse paradigma

BRCA1/2 kaotuse ja PARP inhibeerimise sünteetiline letaalne koostoime on näide edukast ülekandmisest rakuliinide sõeladelt heakskiidetud vähiravimitele. BRCA puudulikud rakud, mis ei suuda teostada homoloogilist rekombinatsioonilist DNA parandamist, sõltuvad ellujäämiseks PARP-vahendatud baasieksisitsiooniparandusest. PARP inhibeerimine BRCA-mutantsetes rakkudes põhjustab DNA-kahjustuste kuhjumist ja rakusurma.

NCI paneeli rakuliinid olid olulised BRCA-PARP sünteetilise letaalsuse valideerimisel ja PARP-inhibiitori tundlikkuse määravate tegurite iseloomustamisel. Lisaks BRCA iduliini mutatsioonidele loovad somaatilised mutatsioonid ja homoloogiliste rekombinatsioonigeenide epigeneetiline vaigistamine "BRCAness" fenotüübid, mis ennustavad PARP-inhibiitorivastust. Rakuliinide skriininguga tuvastati need alternatiivsed defektid, mis laiendavad PARP inhibeerimisest potentsiaalselt kasu saavat populatsiooni.

HCT116 rakud, millel on MLH1 puudulikkus, pakuvad MSI-kõrgusega mudeleid DNA-parandusradade inhibiitorite hindamiseks. Isogeensed rakuliinipaarid koos määratletud geneetiliste modifikatsioonidega võimaldavad kontrollitud sünteetilise letaalsuse valideerimist. DLD-1 rakud ja SW620 rakud annavad täiendavaid kolorektaalvähi mudeleid, millel on erinev DNA remondirada staatus.

CRISPR-põhine genoomiülene skriining

CRISPR-Cas9-tehnoloogia on muutnud sünteetilise letaalsuse sõelumise, võimaldades täpse geenide välja lülitamise minimaalse sihtmärgivälise mõjuga. Kogu genoomi hõlmavad CRISPR-raamatukogud, mis sisaldavad kõiki inimgeene sihtmärgiks olevaid juht-RNAsid, viiakse rakuliinide populatsioonidesse ja juhtide ammendumine aja jooksul tuvastab rakkude ellujäämiseks olulised geenid. NCI paneeli rakuliinide võrdleva sõelumisega tuvastatakse kontekstist sõltuvad olulised geenid, mis esindavad sünteetilisi letaalseid interaktsioone.

Projekt Achilles ja sellega seotud algatused on läbi viinud süstemaatilisi CRISPR-skriineerimisi sadade vähirakuliinide, sealhulgas NCI-60 liikmete puhul. Saadud sõltuvuskaardid näitavad ühiseid olulisi geene, mida vajavad kõik vähirakud, ja kontekstispetsiifilisi sõltuvusi, mis on seotud konkreetsete mutatsioonidega. See ressurss võimaldab leida sünteetilisi letaalseid koostoimeid ilma uute sõelade läbiviimiseta.

KRAS-mutantidega rakuliinid näitavad sõltuvusi KRAS-tee liikmetest, mis võivad olla sihtmärgiks sünteetilise letaalsuse meetodite abil. A549 rakud, mis kannavad KRAS G12S mutatsioone, näitavad sõltuvust SHP2, RAF ja MEK raja komponentidest. NCI-H358 rakud, millel on KRAS G12C, võimaldavad hinnata alleelispetsiifilisi sünteetilisi letaalseid interaktsioone. NCI-H460 rakud pakuvad täiendavaid KRAS-mutantidega kopsukartsinoomi mudeleid.

Arvutipõhised prognoosimismeetodid

NCI paneelidest genereeritud suuremahulised multi-oomilised andmekogumid võimaldavad sünteetiliste letaalsete interaktsioonide arvutuslikku ennustamist. Teadaolevatel sünteetilistel letaalsetel paaridel treenitud masinõppe algoritmid tuvastavad geneetilisi koostoimeid ennustavaid tunnuseid. Need arvutuslikud lähenemisviisid seavad eksperimentaalseks valideerimiseks prioriteetseks kandidaatinteraktsioonid, vähendades iga võimaliku geenikombinatsiooni sõelumise koormust.

Geeniekspressiooni korrelatsioonianalüüsiga tuvastatakse geenid, mis ekspresseeruvad üheskoos NCI-60 rakuliinides, mis viitab funktsionaalsetele seostele. Korrelatsioonivastased ekspressioonimustrid võivad viidata sünteetilistele letaalsetele seostele, kus kompenseerimine toimub ekspressiooni tasandil. Ekspressiooniandmete integreerimine mudelorganismide geneetiliste interaktsioonivõrgustikega kannab teadmised üle inimvähi konteksti.

Teede tasandi analüüs rühmitab sünteetilisi letaalseid koostoimeid funktsionaalsete kategooriate kaupa. DNA-kahjustusreaktsioon, rakutsükli regulatsioon ja ainevahetusradad on rikastatud sünteetiliste letaalsete interaktsioonide suhtes, mida saab kasutada terapeutiliselt. See radade perspektiiv suunab sihtmärkide valiku mitme ravimi jaoks sobiva sõlmpunktiga interaktsioonide suunas.

Onkogeenide sõltuvus ja sünteetiline letaalsus

Onkogeenisõltuvus kujutab endast sünteetilise letaalsuse erijuhtu, kus vähirakud sõltuvad juhtonkogeenide jätkuvast aktiivsusest. Onkogeense signaaliülekande peatamine geneetiliste või farmakoloogiliste vahenditega põhjustab rakusurma, hoolimata muude mutatsioonide olemasolust. NCI paneelide sõelumine tuvastab geenid, mida on vaja spetsiaalselt onkogeenide poolt juhitud kontekstides.

MYC-juhitud rakuliinid NCI-60 raames näitavad sõltuvust MYC-reguleeritud metaboolsetest ja biosünteetilistest programmidest. Kuigi MYC ise on endiselt keeruline otseselt sihikule võtta, pakuvad sünteetilised letaalsed partnerid, sealhulgas CDK9, AURKA ja metaboolsed ensüümid, alternatiivseid sekkumisvõimalusi. MYC-amplifitseeritud ja diploidsete rakuliinide skriininguga tuvastatakse need sihtmärgiks olevad sõltuvused.

K562 rakud, mida juhib BCR-ABL, näitavad sügavat onkogeeni sõltuvust, mida imatiniib ja sellega seotud TKId kasutavad ära. See mudel võimaldab uurida onkogeeni sõltuvust säilitavaid mehhanisme ja strateegiaid omandatud resistentsuse ületamiseks. HL-60 rakud pakuvad MYC-amplifitseeritud ägeda müeloidse leukeemia mudeleid sünteetilise letaalsuse uuringuteks.

Valideerimine ja kliiniline rakendamine

NCI paneelide sõelumise käigus tuvastatud sünteetilised letaalsed koostoimed vajavad enne kliinilist ülekandmist ranget valideerimist. Sõltumatu kinnitus, kasutades ortogonaalseid meetodeid (erinevad RNAi-reaktiivid, CRISPR, väikesed molekulid), tagab usaldusväärsuse. Valideerimine mitmete ühiste mutatsioonidega rakuliinide puhul näitab üldistatavust väljaspool üksikute rakuliinide konteksti.

Patsientidest saadud ksenotransplantaadid (PDX) pakuvad kliiniliselt asjakohaseid kontekste sünteetilise letaalsuse valideerimiseks. Sünteetilist letaalset koostoimet kasutavaid ravimikombinatsioone hinnatakse PDX-mudelites, mis on saadud asjakohaste mutatsioonidega patsientidelt. Selline etapiviisiline valideerimine suurendab usaldust kliinilise translatsiooni suhtes, näidates aktiivsust mudelites, mis säilitavad patsiendi kasvajate heterogeensust.

Kvaliteedi tagamine tagab usaldusväärsed sõeluuringu tulemused. Rakuliini autentimine kinnitab rakuliini identiteeti, mis on oluline, arvestades dokumenteeritud väärat identifitseerimise probleeme. Mükoplasma testimine säilitab kultuuride terviklikkuse kogu sõeluuringu jooksul. RPMI 1640 Medium ja DMEM pakuvad standardiseeritud kultuuritingimusi, mis tagavad järjepidevad sõeluuringu tulemused.

Tekkivad sünteetilised surmavad sihtmärgid

Lisaks PARP-inhibiitoritele on kliinilise arengu käigus jõudmas mitu sünteetilist letaalset ravistrateegiat. ARID1A-mutantsed vähivormid näitavad sünteetilist letaalsust EZH2 inhibeerimisega, mis viib tasemetostaadi väljatöötamiseni epitelioidsarkoomi ja follikulaarse lümfoomi puhul. ATR ja CHK1 inhibiitorid kasutavad sünteetilist letaalsust ATM-puudulikes vähivormides, mis ei suuda aktiveerida alternatiivseid DNA-kahjustuse kontrollpunkte.

Metaboolne sünteetiline letaalsus on suunatud vähispetsiifilistele metaboolsetele sõltuvustele. Spetsiifilise onkogeeni aktiveerimise või kasvajasupressori kadumisega kasvajad näitavad muutunud ainevahetusradade kasutamist, mis loob ravimi haavatavuse. NCI paneeli metaboloomilised ja ravimitundlikkuse andmed annavad teavet metaboolse sünteetilise letaalsuse vastastikmõjude tuvastamiseks.

Immunoteraapia sünteetiline letaalsus kujutab endast kujunevat kontseptsiooni, mille puhul geneetilised muutused ennustavad vastust immuunsüsteemi kontrollpunkti inhibiitoritele. Antigeenide esitlusmasinate geenide kadumine tekitab sõltuvuse kontrollpunkti inhibeerimisest immuunsüsteemi vältimiseks. NCI paneeli iseloomustus immuunsüsteemiga seotud geeniekspressiooni kohta annab teavet immunoteraapia sünteetilise letaalsuse ennustamiseks.

Järeldus

NCI vähirakuliinide paneelid pakuvad olulisi platvorme sünteetilise letaalse koostoime süstemaatiliseks tuvastamiseks ja valideerimiseks. BRCA-PARP sünteetilise letaalsuse edu näitab rakuliinidel põhineva avastamise translatiivset potentsiaali. CRISPR-skriiningtehnoloogia ja arvutusliku prognoosimise lähenemisviiside areng laiendab jätkuvalt kasutuskõlblike sünteetiliste letaalsete koostoimete kataloogi. Sõelumisandmete integreerimine kliinilise valideerimisega patsiendist tuletatud mudelites kiirendab sünteetilise letaalsuse avastuste ülekandmist vähiravi parandamiseks.