Using NCI Panels for Synthetic Lethality Screening

Uporaba panelov NCI za presejanje sintetične smrtnosti

Sintetična smrtnost je učinkovita terapevtska strategija, ki izkorišča genetske ranljivosti, značilne za rakave celice, pri čemer so ohranjena normalna tkiva. Kadar izguba enega gena povzroči odvisnost od drugega gena za preživetje celic, zaviranje drugega gena selektivno uniči rakave celice s prvo mutacijo. Panel NCI-60 in sorodni paneli rakavih celičnih linij s celovito genomsko karakterizacijo in visoko zmogljivo presejalno infrastrukturo zagotavljajo idealne platforme za sistematično identifikacijo sintetičnih smrtonosnih interakcij, ki se uporabljajo v precizni onkologiji.

Ključne ugotovitve

• Paneli rakavih celičnih linij NCI omogočajo preglede sintetične smrtnosti v genomskem obsegu z uporabo knjižnic siRNA, shRNA in CRISPR
• Integracija podatkov o presejanju z genomskimi anotacijami identificira odvisnosti, specifične za genotip, ki jih je mogoče terapevtsko izkoristiti
• Sintetična smrtnost inhibitorja BRCA1/2-PARP je primer uspešnega kliničnega prenosa zaslona celičnih linij
• Pregledi izgube funkcije v panelih z opredeljenimi mutacijami identificirajo bistvene gene, ki so odvisni od konteksta
• Računalniški pristopi napovedujejo interakcije sintetične smrtnosti iz multiomskih podatkov panelov NCI

Načela pregledovanja smrtnosti sintetičnih materialov

Sintetična smrtnost se pojavi, kadar hkratna izguba dveh genov povzroči celično smrt, medtem ko je izguba enega samega gena sprejemljiva. Pri raku tumorsko specifične mutacije ustvarijo odvisnost od partnerskih genov, ki postanejo terapevtske tarče. Zaviranje teh partnerskih genov selektivno uniči rakave celice s senzibilizirajočo mutacijo, medtem ko so normalne celice z nedotaknjenimi kompenzacijskimi potmi prizanesene.

Celovita genomska anotacija panela NCI-60 omogoča stratifikacijo celičnih linij glede na status mutacije za primerjalni pregled. Celične linije s specifičnimi zanimivimi mutacijami se primerjajo z linijami divjega tipa, da se opredelijo geni, ki so selektivno bistveni v kontekstu mutacije. Ta izogena primerjava v genetsko raznolikem panelu identificira robustne sintetične smrtonosne interakcije z možnostjo klinične uporabe.

Visoko zmogljive presejalne tehnologije omogočajo pregledovanje sintetičnih smrtonosnih interakcij na ravni genoma. Knjižnice siRNA in shRNA, usmerjene na vse človeške gene, sistematično prepoznavajo gene, ki so bistveni za preživetje rakavih celic. CRISPR-Cas9 knockout zasloni zagotavljajo večjo natančnost in zmanjšujejo učinke izven cilja, ki so oteževali prejšnje pristope RNAi. Obe tehnologiji sta bili uspešno uporabljeni pri celičnih linijah NCI.

Paradigma sintetične smrtnosti BRCA-PARP

Sintetična smrtonosna interakcija med izgubo BRCA1/2 in zaviranjem PARP je primer uspešnega prehoda od zaslonov celičnih linij do odobrenih terapij raka. Celice s pomanjkanjem BRCA, ki niso sposobne opravljati homologne rekombinacije popravljanja DNK, so za preživetje odvisne od popravljanja baz, ki ga posreduje PARP. Zaviranje PARP v celicah, ki so mutantne na BRCA, povzroči kopičenje poškodb DNK in celično smrt.

Celične linije NCI so bile ključne pri potrjevanju sintetične smrtnosti BRCA-PARP in določanju dejavnikov občutljivosti na zaviralce PARP. Poleg zarodnih mutacij BRCA so somatske mutacije in epigenetsko utišanje genov homologne rekombinacije ustvarili fenotipe "BRCAness", ki napovedujejo odziv na inhibitor PARP. S presejanjem celičnih linij so bile ugotovljene te alternativne okvare, s čimer se je povečala populacija, ki bi lahko imela koristi od inhibicije PARP.

Celice HCT116 s pomanjkanjem MLH1 zagotavljajo modele z visoko stopnjo MSI za ocenjevanje zaviralcev poti popravljanja DNK. Izogeni pari celičnih linij z opredeljenimi genetskimi spremembami omogočajo nadzorovano potrditev sintetične smrtnosti. DLD-1 celice in SW620 celice so dodatni modeli raka debelega črevesa in danke z različnim stanjem poti popravljanja DNK.

Pregledovanje celotnega genoma na podlagi CRISPR

Tehnologija CRISPR-Cas9 je revolucionirala presejanje sintetične smrtnosti, saj omogoča natančno izločanje genov z minimalnimi učinki izven cilja. Knjižnice CRISPR, ki zajemajo celoten genom in vsebujejo vodilne RNK, usmerjene na vse človeške gene, se dostavijo populacijam celičnih linij, pri čemer se sčasoma z izčrpavanjem vodilnih RNK določijo geni, ki so bistveni za preživetje celic. S primerjalnim pregledom celičnih linij iz skupine NCI se opredelijo od konteksta odvisni bistveni geni, ki predstavljajo sintetične smrtonosne interakcije.

V okviru projekta Achilles in sorodnih pobud so bili izvedeni sistematični pregledi CRISPR na več sto celičnih linijah raka, vključno s člani NCI-60. Pridobljeni zemljevidi odvisnosti razkrivajo skupne bistvene gene, ki jih potrebujejo vse rakave celice, in kontekstno specifične odvisnosti, povezane z določenimi mutacijami. Ta vir omogoča iskanje sintetičnih smrtonosnih interakcij brez izvajanja novih pregledov.

Celične linije z mutacijo KRAS kažejo odvisnosti od članov poti KRAS, ki jih je mogoče usmeriti s pristopi sintetične smrtnosti. Celice A549 z mutacijami KRAS G12S kažejo odvisnost od sestavin poti SHP2, RAF in MEK. Celice NCI-H358 z mutacijo KRAS G12C omogočajo oceno alelno specifičnih interakcij sintetične smrtnosti. Celice NCI-H460 zagotavljajo dodatne modele velikobunčnega pljučnega karcinoma z mutacijo KRAS.

Računalniški pristopi za napovedovanje

Obsežni multiomični podatkovni nizi, pridobljeni iz panelov NCI, omogočajo računalniško napovedovanje sintetičnih smrtonosnih interakcij. Algoritmi strojnega učenja, ki so usposobljeni na znanih sintetičnih smrtonosnih parih, določajo značilnosti, ki napovedujejo genetske interakcije. Ti računalniški pristopi dajejo prednost kandidatkam za interakcije za eksperimentalno potrditev, kar zmanjšuje breme pregledovanja vseh možnih kombinacij genov.

Korelacijska analiza izražanja genov identificira gene, ki se soizražajo v celičnih linijah NCI-60, kar kaže na funkcionalne povezave. Antikorelacijski vzorci izražanja lahko kažejo na sintetične smrtonosne odnose, pri katerih pride do kompenzacije na ravni izražanja. Integracija podatkov o izražanju z mrežami genetskih interakcij iz modelnih organizmov prenaša znanje v kontekst človeškega raka.

Analiza na ravni poti združuje sintetične smrtonosne interakcije po funkcionalnih kategorijah. Odziv na poškodbe DNK, uravnavanje celičnega cikla in presnovne poti so obogatene s sintetičnimi smrtonosnimi interakcijami, ki jih je mogoče terapevtsko izkoristiti. Ta perspektiva poti usmerja izbiro tarč k interakcijam z več vozlišči, ki jih je mogoče zdraviti.

Zasvojenost z onkogeni in sintetična smrtnost

Zasvojenost z onkogeni je poseben primer sintetične smrtnosti, ko so rakave celice odvisne od stalnega delovanja gonilnih onkogenov. Umik onkogenskega signala z genetskimi ali farmakološkimi sredstvi povzroči celično smrt kljub prisotnosti drugih mutacij. S pregledom na panelu NCI so identificirani geni, ki so posebej potrebni v kontekstu onkogenov, ki jih poganjajo.

Celične linije NCI-60, ki jih poganja MYC, so odvisne od presnovnih in biosintetičnih programov, ki jih uravnava MYC. Medtem ko je sam MYC še vedno težko neposredno usmeriti, sintetični smrtonosni partnerji, vključno s CDK9, AURKA in presnovnimi encimi, zagotavljajo alternativne točke posredovanja. Pregledovanje v celičnih linijah z amplificiranim MYC v primerjavi z diploidnimi celičnimi linijami identificira te ciljne odvisnosti.

Celice K562, ki jih poganja BCR-ABL, kažejo globoko odvisnost od onkogena, ki jo izkoriščajo imatinib in sorodni TKI. Ta model omogoča raziskovanje mehanizmov, ki vzdržujejo odvisnost od onkogenov, in strategij za premagovanje pridobljene odpornosti. Celice HL-60 zagotavljajo modele akutne mieloične levkemije z amplificiranim MYC za študije sintetične smrtnosti.

Potrjevanje in klinični prevod

Sintetične smrtonosne interakcije, ugotovljene s pregledom na panelu NCI, je treba pred kliničnim prenosom strogo potrditi. Neodvisna potrditev z uporabo ortogonalnih metod (različni reagenti RNAi, CRISPR, majhne molekule) zagotavlja robustnost. Potrjevanje v več celičnih linijah s skupnimi mutacijami dokazuje možnost posplošitve zunaj konteksta posamezne celične linije.

Modeli ksenografta, pridobljenega od bolnika (PDX), zagotavljajo klinično relevantne kontekste za validacijo sintetične smrtnosti. Kombinacije zdravil, ki izkoriščajo sintetične smrtonosne interakcije, se ocenijo na modelih PDX, pridobljenih od bolnikov z ustreznimi mutacijami. Ta postopna validacija povečuje zaupanje v klinično uporabo, saj dokazuje delovanje v modelih, ki ohranjajo heterogenost bolnikovih tumorjev.

Zagotavljanje kakovosti zagotavlja zanesljive rezultate preverjanja. Preverjanje pristnosti celičnih linij potrjuje istovetnost celičnih linij, kar je bistveno zaradi dokumentiranih težav z napačno identifikacijo. Testiranje mikoplazme ohranja celovitost kulture med presejalnimi kampanjami. Medij RPMI 1640 in DMEM zagotavljata standardizirane pogoje gojenja za dosledne rezultate presejanja.

Nove sintetične smrtonosne tarče

Poleg zaviralcev PARP v kliničnem razvoju napredujejo številne sintetične smrtonosne terapevtske strategije. Pri rakih z mutantom ARID1A se kaže sintetična smrtnost z zaviranjem EZH2, kar je privedlo do razvoja tazemetostata za epitelioidni sarkom in folikularni limfom. Zaviralci ATR in CHK1 izkoriščajo sintetično smrtnost pri rakih s pomanjkljivim ATM, ki ne morejo aktivirati alternativnih kontrolnih točk poškodb DNK.

Metabolična sintetična smrtnost je usmerjena v specifične presnovne odvisnosti raka. Tumorji s specifično aktivacijo onkogena ali izgubo tumorskega supresorja kažejo spremenjeno uporabo presnovnih poti, kar ustvarja ranljivosti, ki jih je mogoče zdraviti z zdravili. Metabolomski podatki in podatki o občutljivosti na zdravila na panelu NCI so podlaga za identifikacijo presnovnih sintetičnih smrtonosnih interakcij.

Sintetična smrtnost pri imunoterapiji predstavlja nastajajoči koncept, pri katerem genetske spremembe napovedujejo odziv na zaviralce imunskih kontrolnih točk. Izguba genov za predstavitvene mehanizme antigenov ustvarja odvisnost od zaviranja kontrolnih točk za izogibanje imunskemu sistemu. Karakterizacija izražanja genov, povezanih z imunskim sistemom, na panelu NCI omogoča napovedovanje sintetične smrtnosti pri imunoterapiji.

Zaključek

Paneli rakavih celičnih linij NCI zagotavljajo bistvene platforme za sistematično prepoznavanje in potrjevanje sintetičnih smrtonosnih interakcij. Uspeh sintetične smrtnosti BRCA-PARP dokazuje translacijski potencial odkrivanja na podlagi celičnih linij. Napredek v tehnologiji presejanja CRISPR in računalniških pristopih napovedovanja še naprej širi katalog uporabnih sintetičnih smrtonosnih interakcij. Povezovanje podatkov o presejanju s kliničnim potrjevanjem na modelih, pridobljenih od bolnikov, pospešuje prenos odkritij o sintetični smrtnosti v izboljšano zdravljenje raka.