Using NCI Panels for Synthetic Lethality Screening

Användning av NCI-paneler för screening av syntetisk letalitet

Syntetisk letalitet är en kraftfull terapeutisk strategi som utnyttjar genetiska sårbarheter som är specifika för cancerceller samtidigt som normala vävnader skonas. När förlust av en gen skapar ett beroende av en andra gen för cellöverlevnad, dödar inhibering av den andra genen selektivt cancerceller som har den första mutationen. NCI-60 och relaterade paneler av cancercellinjer, med omfattande genomisk karakterisering och infrastruktur för screening med hög kapacitet, utgör idealiska plattformar för systematisk identifiering av syntetiska dödliga interaktioner som kan tillämpas inom precisionsonkologi.

Viktiga slutsatser

• NCI:s paneler med cancercellinjer möjliggör genomskalig screening av syntetisk letalitet med hjälp av siRNA-, shRNA- och CRISPR-bibliotek
• Integration av screeningdata med genomiska annoteringar identifierar genotypspecifika beroenden som kan utnyttjas terapeutiskt
• BRCA1/2-PARP-hämmarens syntetiska letalitet är ett exempel på framgångsrik klinisk översättning från cellinjescreeningar
• Loss-of-function screens i paneler med definierade mutationer identifierar kontextberoende essentiella gener
• Beräkningsmetoder förutsäger syntetiska letala interaktioner från multi-omiska data från NCI-panelen

Principer för screening av syntetisk letalitet

Syntetisk letalitet uppstår när samtidig förlust av två gener orsakar celldöd, medan förlust av endera genen ensam tolereras. Vid cancer skapar tumörspecifika mutationer ett beroende av partnergener som blir terapeutiska mål. Genom att hämma dessa partnergener dödas selektivt cancerceller som bär på den sensitiserande mutationen, medan normala celler med intakta kompensationsvägar skonas.

NCI-60-panelens omfattande genomiska annotation möjliggör stratifiering av cellinjer efter mutationsstatus för jämförande screening. Cellinjer som bär på specifika mutationer av intresse jämförs med vildtypslinjer för att identifiera gener som är selektivt viktiga i mutantsammanhanget. Denna isogena jämförelse över en genetiskt diversifierad panel identifierar robusta syntetiska letala interaktioner med potential för klinisk tillämpning.

Screeningteknik med hög genomströmning möjliggör genomskalig undersökning av syntetiska dödliga interaktioner. siRNA- och shRNA-bibliotek som riktar sig mot alla mänskliga gener identifierar systematiskt gener som är viktiga för cancercellernas överlevnad. CRISPR-Cas9 knockout-screening ger högre precision och minskar de off-target-effekter som försvårat tidigare RNAi-metoder. Båda teknikerna har framgångsrikt använts i cellinjer från NCI:s panel.

BRCA-PARP - paradigm för syntetisk dödlighet

Den syntetiskt dödliga interaktionen mellan BRCA1/2-förlust och PARP-hämning är ett exempel på en framgångsrik omvandling från cellinjeundersökningar till godkända cancerbehandlingar. BRCA-defekta celler, som inte kan utföra DNA-reparation genom homolog rekombination, är beroende av PARP-medierad basavskiljningsreparation för sin överlevnad. PARP-hämning i BRCA-mutanta celler orsakar ackumulering av DNA-skador och celldöd.

Cellinjer från NCI:s panel har varit avgörande för att validera BRCA-PARP syntetisk dödlighet och karakterisera bestämningsfaktorer för PARP-hämmarkänslighet. Utöver BRCA-mutationer i könscellerna skapar somatiska mutationer och epigenetisk tystnad av gener för homolog rekombination fenotyper av "BRCAness" som förutsäger respons på PARP-hämmare. Screening av cellinjer identifierade dessa alternativa defekter och utökade därmed den population som potentiellt kan dra nytta av PARP-hämning.

HCT116-celler med MLH1-brist ger MSI-högmodeller för utvärdering av hämmare av DNA-reparationsvägen. Isogena cellinjepar med definierade genetiska modifieringar möjliggör validering av kontrollerad syntetisk dödlighet. DLD-1-celler och SW620-celler bidrar med ytterligare kolorektalcancermodeller med distinkt status för DNA-reparationsvägen.

CRISPR-baserad screening av hela genomet

CRISPR-Cas9-tekniken har revolutionerat syntetisk letalitetsscreening genom att möjliggöra exakt genknockout med minimala off-target-effekter. Genomomfattande CRISPR-bibliotek som innehåller guide-RNA som riktar in sig på alla mänskliga gener levereras till cellinjepopulationer, och utarmning av guide över tid identifierar gener som är viktiga för cellöverlevnad. Jämförande screening mellan cellinjer från NCI-panelen identifierar kontextberoende essentiella gener som representerar syntetiska dödliga interaktioner.

Project Achilles och relaterade initiativ har genomfört systematiska CRISPR-screeningar av hundratals cancercellinjer, inklusive NCI-60-medlemmar. De resulterande beroendekartorna avslöjar gemensamma essentiella gener som krävs av alla cancerceller och kontextspecifika beroenden som är förknippade med särskilda mutationer. Denna resurs gör det möjligt att leta efter syntetiska dödliga interaktioner utan att genomföra nya tester.

KRAS-muterade cellinjer visar på beroenden av KRAS-vägmedlemmar som potentiellt kan angripas med syntetiska letalitetsmetoder. A549-celler som har KRAS G12S-mutationer visar beroende av SHP2-, RAF- och MEK-vägkomponenter. NCI-H358-celler med KRAS G12C möjliggör utvärdering av allelspecifika syntetiska letala interaktioner. NCI-H460-celler ger ytterligare modeller för KRAS-mutant storcelligt lungkarcinom.

Metoder för prediktion med hjälp av beräkningar

Storskaliga multi-omiska dataset som genereras från NCI-paneler möjliggör beräkningsmässig prediktion av syntetiska letala interaktioner. Maskininlärningsalgoritmer som tränats på kända syntetiska dödliga par identifierar funktioner som kan förutsäga genetiska interaktioner. Dessa beräkningsbaserade metoder prioriterar kandidatinteraktioner för experimentell validering, vilket minskar bördan av att screena alla möjliga genkombinationer.

Korrelationsanalys av genuttryck identifierar gener som uttrycks samtidigt i NCI-60-cellinjer, vilket tyder på funktionella samband. Antikorrelerade uttrycksmönster kan tyda på syntetiskt dödliga relationer där kompensation sker på uttrycksnivå. Genom att integrera uttrycksdata med genetiska interaktionsnätverk från modellorganismer kan kunskapen överföras till cancersammanhang hos människor.

Analys på pathway-nivå grupperar syntetiska letala interaktioner efter funktionella kategorier. DNA-skadesvar, cellcykelreglering och metaboliska vägar är berikade för syntetiska dödliga interaktioner som kan utnyttjas terapeutiskt. Detta vägperspektiv styr målvalet mot interaktioner med flera droggbara noder.

Onkogenberoende och syntetisk dödlighet

Onkogenberoende är ett specialfall av syntetisk dödlighet där cancerceller är beroende av att drivande onkogener fortsätter att verka. Om den onkogena signaleringen avbryts på genetisk eller farmakologisk väg leder det till celldöd trots förekomsten av andra mutationer. NCI-panelscreening identifierar gener som krävs specifikt i onkogendrivna sammanhang.

MYC-drivna cellinjer inom NCI-60 visar på beroenden av MYC-reglerade metaboliska och biosyntetiska program. Även om MYC i sig är en utmaning att rikta in sig på direkt, erbjuder syntetiska letala partners, inklusive CDK9, AURKA och metaboliska enzymer, alternativa ingreppspunkter. Screening av MYC-amplifierade kontra diploida cellinjer identifierar dessa målstyrda beroenden.

K562-celler som drivs av BCR-ABL uppvisar ett djupgående onkogenberoende som utnyttjas av imatinib och relaterade TKI:er. Denna modell möjliggör undersökning av mekanismer som upprätthåller onkogenberoende och strategier för att övervinna förvärvad resistens. HL-60-celler ger MYC-amplifierade modeller för akut myeloisk leukemi för studier av syntetisk dödlighet.

Validering och klinisk översättning

Syntetiska letala interaktioner som identifierats genom screening av NCI-panelen kräver rigorös validering före klinisk översättning. Oberoende bekräftelse med ortogonala metoder (olika RNAi-reagenser, CRISPR, små molekyler) skapar robusthet. Validering över flera cellinjer med delade mutationer visar generaliserbarhet bortom enskilda cellinjesammanhang.

PDX-modeller (patientderiverade xenograft) ger kliniskt relevanta sammanhang för validering av syntetisk letalitet. Läkemedelskombinationer som utnyttjar syntetiska letala interaktioner utvärderas i PDX-modeller som härrör från patienter med relevanta mutationer. Denna stegvisa validering ökar förtroendet för klinisk översättning genom att visa aktivitet i modeller som bibehåller heterogenitet i patienttumörer.

Kvalitetssäkring säkerställer tillförlitliga screeningresultat. Autentisering av cellinjen bekräftar cellinjens identitet, vilket är viktigt med tanke på dokumenterade problem med felidentifiering. Mykoplasmatestning upprätthåller kulturens integritet under hela screeningkampanjen. RPMI 1640 Medium och DMEM ger standardiserade odlingsförhållanden för konsekventa screeningresultat.

Framväxande syntetiska dödliga måltavlor

Utöver PARP-hämmare finns det flera syntetiska letala behandlingsstrategier som är på väg genom klinisk utveckling. ARID1A-muterade cancerformer uppvisar syntetisk letalitet med EZH2-hämning, vilket har lett till utveckling av tazemetostat för epitelioid sarkom och follikulärt lymfom. ATR- och CHK1-hämmare utnyttjar syntetisk letalitet i ATM-defekta cancerformer som inte kan aktivera alternativa kontrollpunkter för DNA-skador.

Metabolisk syntetisk letalitet riktar in sig på cancerspecifika metaboliska beroenden. Tumörer med specifik onkogenaktivering eller förlust av tumörsuppressorer uppvisar förändrad användning av metaboliska vägar som skapar sårbarheter som kan behandlas med läkemedel. Metabolomiska data och data om läkemedelskänslighet från NCI-panelen bidrar till identifiering av metabolisk syntetisk dödlighet.

Syntetisk dödlighet vid immunterapi är ett nytt koncept där genetiska förändringar förutsäger respons på immuncheckpointhämmare. Förlust av gener för antigenpresenteringsmaskineriet skapar ett beroende av checkpoint-hämning för att undvika immunförsvaret. NCI-panelens karaktärisering av immunrelaterade genuttryck ger information om förutsägelse av syntetisk dödlighet vid immunterapi.

Slutsats

NCI:s paneler med cancercellinjer utgör viktiga plattformar för systematisk identifiering och validering av syntetiskt dödliga interaktioner. Framgången med BRCA-PARP syntetisk letalitet visar på den translationella potentialen hos cellinjebaserad upptäckt. Framsteg inom CRISPR-screeningteknik och metoder för beräkningsmässig prediktion fortsätter att utöka katalogen av handlingsbara syntetiska letala interaktioner. Genom att integrera screeningdata med klinisk validering i modeller som härrör från patienter påskyndas översättningen av upptäckter av syntetisk letalitet till förbättrad cancerbehandling.