Using NCI Panels for Synthetic Lethality Screening

NCI-paneelien käyttö synteettisen tappavuuden seulonnassa

Synteettinen tappavuus on tehokas hoitostrategia, jossa hyödynnetään syöpäsoluille ominaisia geneettisiä haavoittuvuuksia normaaleja kudoksia säästäen. Kun yhden geenin menetys aiheuttaa riippuvuuden toisesta geenistä solun selviytymisen kannalta, toisen geenin estäminen tappaa valikoivasti syöpäsoluja, joissa on ensimmäinen mutaatio. NCI-60- ja siihen liittyvät syöpäsolulinjapaneelit, joissa on kattava genominen karakterisointi ja korkean läpimenon seulontainfrastruktuuri, tarjoavat ihanteelliset alustat synteettisten tappavien vuorovaikutusten systemaattiseen tunnistamiseen, joita voidaan soveltaa täsmäkeskeiseen onkologiaan.

Keskeiset tulokset

• NCI:n syöpäsolulinjapaneelit mahdollistavat genomin laajuiset synteettisen tappavuuden seulonnat siRNA-, shRNA- ja CRISPR-kirjastojen avulla
• Seulontatietojen yhdistäminen genomitiedostoihin tunnistaa genotyyppikohtaisia riippuvuuksia, joita voidaan hyödyntää terapeuttisesti
• BRCA1/2-PARP-inhibiittorin synteettinen letaliteetti on esimerkki onnistuneesta kliinisestä translaatiosta solulinjojen seulonnoista
• Toimintakyvyn menetyksen seulonnat paneeleissa, joissa on määriteltyjä mutaatioita, tunnistavat kontekstista riippuvaisia välttämättömiä geenejä
• Laskennalliset lähestymistavat ennustavat synteettisiä letaaleja vuorovaikutuksia NCI-paneelien multi-omitiedoista

Synteettisen tappavuuden seulonnan periaatteet

Synteettinen letaliteetti syntyy, kun kahden geenin samanaikainen menetys aiheuttaa solukuoleman, kun taas jommankumman geenin menetys yksinään on siedettävä. Syövässä kasvainspesifiset mutaatiot luovat riippuvuuksia kumppanigeeneistä, joista tulee terapeuttisia kohteita. Näiden kumppanigeenien estäminen tappaa valikoivasti syöpäsoluja, joissa on herkistävä mutaatio, mutta säästää normaalit solut, joiden kompensoivat geenit ovat ehjiä.

NCI-60-paneelin kattava genominen annotaatio mahdollistaa solulinjojen osittamisen mutaatiotilanteen mukaan vertailevaa seulontaa varten. Solulinjoja, joissa on tiettyjä kiinnostavia mutaatioita, verrataan villityyppisiin solulinjoihin, jotta voidaan tunnistaa geenit, jotka ovat valikoivasti välttämättömiä mutaatiokontekstissa. Tämä isogeenisen kaltainen vertailu geneettisesti monimuotoisessa paneelissa tunnistaa vankat synteettisesti tappavat vuorovaikutukset, joilla on potentiaalia kliiniseen käyttöön.

Suuren läpimenon seulontatekniikat mahdollistavat synteettisten tappavien vuorovaikutusten genomin laajuisen tutkimisen. Kaikkiin ihmisen geeneihin kohdistuvat siRNA- ja shRNA-kirjastot tunnistavat systemaattisesti syöpäsolujen eloonjäämisen kannalta olennaiset geenit. CRISPR-Cas9-kopiointiseulonnat mahdollistavat suuremman tarkkuuden ja vähentävät off-target-vaikutuksia, jotka hankaloittivat aiempia RNAi-menetelmiä. Molempia tekniikoita on käytetty menestyksekkäästi NCI-paneelin solulinjoissa.

BRCA-PARP-synteettinen tappavuusparadigma

BRCA1/2:n menetyksen ja PARP:n eston synteettinen tappava vuorovaikutus on esimerkki onnistuneesta siirtymisestä solulinjojen seuloista hyväksyttyihin syöpähoitoihin. BRCA-puutteiset solut, jotka eivät kykene suorittamaan homologista rekombinaatio-DNA:n korjausta, ovat riippuvaisia PARP-välitteisestä emästen erkautumiskorjauksesta selviytyäkseen. PARP:n estäminen BRCA-mutanttien soluissa aiheuttaa DNA-vaurioiden kasautumista ja solukuolemaa.

NCI:n paneelisolulinjat olivat keskeisessä asemassa BRCA-PARP-synteettisen letaliteetin validoinnissa ja PARP-inhibiittoriherkkyyden määrittävien tekijöiden luonnehtimisessa. BRCA:n sukulinjamutaatioiden lisäksi somaattiset mutaatiot ja homologisen rekombinaation geenien epigeneettinen vaimentaminen luovat "BRCAness"-fenotyyppejä, jotka ennustavat PARP-inhibiittorivasteen. Solulinjojen seulonnassa tunnistettiin nämä vaihtoehtoiset viat, jotka laajentavat PARP:n estosta mahdollisesti hyötyvää väestöä.

HCT116-solut, joissa on MLH1-puutos, tarjoavat MSI-korkean MSI:n malleja DNA:n korjausreitin estäjien arvioimiseksi. Isogeeniset solulinjaparit, joissa on määriteltyjä geneettisiä muutoksia, mahdollistavat kontrolloidun synteettisen letaliteetin validoinnin. DLD-1-solut ja SW620-solut tarjoavat uusia kolorektaalisyöpämalleja, joilla on erilainen DNA:n korjausreitin tila.

CRISPR-pohjainen genominlaajuinen seulonta

CRISPR-Cas9-teknologia on mullistanut synteettisen letaliteetin seulonnan mahdollistamalla tarkan geenin tyrmäyksen minimaalisilla off-target-vaikutuksilla. Koko genomin kattavat CRISPR-kirjastot, jotka sisältävät kaikkiin ihmisen geeneihin kohdistuvia opas-RNA:ita, toimitetaan solulinjapopulaatioihin, ja opas-RNA:iden poistaminen ajan mittaan identifioi solujen eloonjäämisen kannalta olennaiset geenit. Vertaileva seulonta NCI-paneelin solulinjoissa tunnistaa kontekstiriippuvaisia välttämättömiä geenejä, jotka edustavat synteettisiä tappavia vuorovaikutuksia.

Achilles-hankkeessa ja siihen liittyvissä aloitteissa on tehty järjestelmällisiä CRISPR-seulontoja sadoille syöpäsolulinjoille, mukaan lukien NCI-60-jäsenet. Tuloksena saadut riippuvuuskartat paljastavat yhteisiä välttämättömiä geenejä, joita kaikki syöpäsolut tarvitsevat, sekä tiettyihin mutaatioihin liittyviä kontekstisidonnaisia riippuvuuksia. Tämä resurssi mahdollistaa synteettisten tappavien vuorovaikutusten etsimisen ilman uusia seulontoja.

KRAS-mutantti-solulinjat osoittavat riippuvuuksia KRAS-reitin jäsenistä, joihin voidaan mahdollisesti kohdistaa synteettisen tappavuuden lähestymistapoja. A549-solut, joissa on KRAS G12S -mutaatioita, osoittavat riippuvuutta SHP2-, RAF- ja MEK-reitin osista. NCI-H358-solut, joissa on KRAS G12C, mahdollistavat alleelispesifisten synteettisten letaalisten vuorovaikutusten arvioinnin. NCI-H460-solut tarjoavat lisää KRAS-mutantteja sisältäviä suurisoluisen keuhkokarsinooman malleja.

Laskennalliset ennustusmenetelmät

NCI:n paneeleista tuotetut laajamittaiset monioomiset tietokokonaisuudet mahdollistavat synteettisten tappavien vuorovaikutusten laskennallisen ennustamisen. Tunnetuilla synteettisillä tappavilla pareilla koulutetut koneoppimisalgoritmit tunnistavat geneettisiä vuorovaikutuksia ennustavia piirteitä. Näillä laskennallisilla lähestymistavoilla priorisoidaan vuorovaikutuskandidaatit kokeellista validointia varten, mikä vähentää kaikkien mahdollisten geenikombinaatioiden seulontaan liittyvää taakkaa.

Geeniekspressiokorrelaatioanalyysi tunnistaa geenit, jotka ilmenevät yhdessä eri NCI-60-solulinjoissa, mikä viittaa toiminnallisiin suhteisiin. Anti-korreloituneet ilmentymismallit voivat viitata synteettisiin tappaviin suhteisiin, joissa kompensaatio tapahtuu ilmentymistasolla. Ekspressiotietojen yhdistäminen malliorganismeista saatuihin geneettisiin vuorovaikutusverkkoihin siirtää tietoa ihmisen syöpäkonteksteihin.

Polkutason analyysi ryhmittelee synteettiset letaaliset vuorovaikutussuhteet toiminnallisten luokkien mukaan. DNA-vauriovaste, solusyklin säätely ja aineenvaihduntapolut ovat rikastuneet synteettisesti tappavien vuorovaikutusten osalta, joita voidaan hyödyntää terapeuttisesti. Tämä polkujen näkökulma ohjaa kohdevalintaa kohti vuorovaikutuksia, joissa on useita lääkkeellisesti hyödynnettävissä olevia solmuja.

Onkogeeniriippuvuus ja synteettinen tappavuus

Onkogeeniriippuvuus edustaa synteettisen tappavuuden erityistapausta, jossa syöpäsolut ovat riippuvaisia onkogeenien jatkuvasta aktiivisuudesta. Onkogeenisen signaloinnin lopettaminen geneettisin tai farmakologisin keinoin aiheuttaa solukuoleman muiden mutaatioiden olemassaolosta huolimatta. NCI:n paneeliseulonnassa tunnistetaan geenejä, joita tarvitaan erityisesti onkogeenien aiheuttamissa yhteyksissä.

NCI-60:n MYC-ohjatut solulinjat osoittavat riippuvuutta MYC:n säätelemistä aineenvaihdunta- ja biosynteettisistä ohjelmista. Vaikka MYC:hen itsessään on edelleen haastavaa kohdistaa suoraa vaikutusta, synteettiset tappavat kumppanit, kuten CDK9, AURKA ja metaboliset entsyymit, tarjoavat vaihtoehtoisia interventiokohtia. MYC-amplifioitujen ja diploidisten solulinjojen seulonta tunnistaa nämä tavoiteltavat riippuvuudet.

BCR-ABL:n ohjaamatK562-solut osoittavat syvää onkogeeniriippuvuutta, jota imatinibi ja siihen liittyvät TKI:t hyödyntävät. Tämä malli mahdollistaa onkogeeniriippuvuutta ylläpitävien mekanismien ja hankitun resistenssin voittamiseen tähtäävien strategioiden tutkimisen. HL-60-solut tarjoavat MYC-amplifioidun akuutin myelooisen leukemian mallin synteettisen letaliteetin tutkimuksia varten.

Validointi ja kliininen käännös

NCI-paneelin seulonnassa tunnistetut synteettiset tappavat vuorovaikutukset edellyttävät tiukkaa validointia ennen kliinistä translaatiota. Riippumaton vahvistus ortogonaalisilla menetelmillä (erilaiset RNAi-reagenssit, CRISPR, pienet molekyylit) varmistaa luotettavuuden. Validointi useilla solulinjoilla, joilla on yhteisiä mutaatioita, osoittaa, että vuorovaikutukset ovat yleistettävissä yksittäisten solulinjojen kontekstien ulkopuolelle.

Potilasperäiset ksenotransplantaattimallit (PDX-mallit) tarjoavat kliinisesti relevantin kontekstin synteettisen letaliteetin validointia varten. Synteettisiä letaalisia vuorovaikutuksia hyödyntäviä lääkeyhdistelmiä arvioidaan PDX-malleissa, jotka on johdettu potilaista, joilla on merkityksellisiä mutaatioita. Tämä vaiheittainen validointi lisää luottamusta kliiniseen translaatioon osoittamalla aktiivisuus malleissa, joissa potilaan kasvain on heterogeeninen.

Laadunvarmistus varmistaa luotettavat seulontatulokset. Solulinjan todennus vahvistaa solulinjan identiteetin, mikä on välttämätöntä, kun otetaan huomioon dokumentoidut virheelliset tunnistamisongelmat. Mykoplasmatestaus ylläpitää viljelmien eheyttä koko seulontakampanjan ajan. RPMI 1640 Medium ja DMEM tarjoavat standardoidut viljelyolosuhteet, jotka takaavat yhdenmukaiset seulontatulokset.

Kehitteillä olevat synteettiset tappavat kohteet

PARP:n estäjien lisäksi useita synteettisiä tappavia hoitostrategioita on etenemässä kliinisessä kehityksessä. ARID1A-mutanttien syöpäsairaudet osoittavat synteettistä tappavuutta EZH2:n estolla, mikä johtaa tazemetostaatin kehittämiseen epitelioidisen sarkooman ja follikulaarisen lymfooman hoitoon. ATR:n ja CHK1:n estäjät hyödyntävät synteettistä tappavuutta ATM-puutteisissa syövissä, jotka eivät kykene aktivoimaan vaihtoehtoisia DNA-vaurioiden tarkistuspisteitä.

Metabolinen synteettinen letaliteetti kohdistuu syöpäspesifisiin metabolisiin riippuvuuksiin. Kasvaimissa, joissa on erityinen onkogeeniaktivoituminen tai kasvainsuppressorin häviäminen, on havaittavissa muuttunutta aineenvaihduntareittien käyttöä, joka luo lääkkeillä hoidettavia haavoittuvuuksia. NCI-paneelin metabolomi- ja lääkeherkkyystiedot antavat tietoa metabolisen synteettisen tappavuuden vuorovaikutusten tunnistamisesta.

Immunoterapian synteettinen tappavuus on uusi käsite, jossa geneettiset muutokset ennustavat vastetta immuunijärjestelmän tarkistuspisteiden estäjille. Antigeenin esityskoneiston geenien menetys aiheuttaa riippuvuuden tarkistuspisteiden estosta immuunipuolustuksen välttämiseksi. Immuuniin liittyvien geenien ilmentymisen NCI-paneelin karakterisointi auttaa ennustamaan immunoterapian synteettistä tappavuutta.

Päätelmät

NCI:n syöpäsolulinjapaneelit tarjoavat olennaisen tärkeän alustan synteettisesti tappavien vuorovaikutusten järjestelmälliselle tunnistamiselle ja validoinnille. BRCA-PARP-synteettisen letaliteetin onnistuminen osoittaa solulinjapohjaisen löytämisen translaatiopotentiaalin. CRISPR-seulontateknologian ja laskennallisten ennustemenetelmien kehittyminen laajentaa edelleen käyttökelpoisten synteettisten tappavien vuorovaikutusten luetteloa. Seulontatietojen yhdistäminen kliiniseen validointiin potilasperäisissä malleissa nopeuttaa synteettisen tappavuuden löytöjen siirtämistä syöpähoitojen parantamiseen.