Using NCI Panels for Synthetic Lethality Screening

การใช้แผง NCI สำหรับการคัดกรองความเป็นพิษสังเคราะห์

ความเป็นพิษแบบสังเคราะห์ (Synthetic lethality) เป็นกลยุทธ์การรักษาที่ทรงพลังซึ่งอาศัยช่องโหว่ทางพันธุกรรมเฉพาะของเซลล์มะเร็ง ในขณะที่ยังคงเนื้อเยื่อปกติไว้ได้ เมื่อการสูญเสียยีนหนึ่งทำให้เกิดการพึ่งพายีนที่สองในการอยู่รอดของเซลล์ การยับยั้งยีนที่สองจะฆ่าเซลล์มะเร็งที่มีการกลายพันธุ์ของยีนแรกได้อย่างเฉพาะเจาะจง แผงเซลล์มะเร็ง NCI-60 และที่เกี่ยวข้อง ซึ่งมีการวิเคราะห์จีโนมอย่างครอบคลุมและโครงสร้างพื้นฐานสำหรับการคัดกรองแบบผ่านสูง เป็นแพลตฟอร์มที่เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการระบุปฏิสัมพันธ์แบบสังเคราะห์ที่เป็นพิษอย่างเป็นระบบซึ่งสามารถนำไปประยุกต์ใช้ในเนื้องอกวิทยาแบบแม่นยำ

ประเด็นสำคัญ

• ชุดเซลล์ไลน์มะเร็งของ NCI ช่วยให้สามารถทำการคัดกรองความเป็นพิษแบบสังเคราะห์ในระดับจีโนมโดยใช้ไลบรารี siRNA, shRNA และ CRISPR
• การผสานข้อมูลการคัดกรองกับคำอธิบายทางพันธุกรรมช่วยระบุการพึ่งพาเฉพาะสายพันธุ์ที่สามารถนำไปใช้ประโยชน์ในการรักษาได้
• การยับยั้ง BRCA1/2-PARP ด้วยกลไกสังเคราะห์ความเป็นพิษเป็นตัวอย่างของการแปลผลทางคลินิกที่ประสบความสำเร็จจากการคัดกรองสายพันธุ์เซลล์
• การคัดกรองการสูญเสียหน้าที่ในพาเนลที่มีการกลายพันธุ์ที่กำหนดไว้สามารถระบุยีนที่จำเป็นซึ่งขึ้นกับบริบทได้
• วิธีการเชิงคำนวณทำนายปฏิสัมพันธ์ที่เป็นอันตรายถึงชีวิตจากการสังเคราะห์จากข้อมูลหลายมิติของ NCI panel

หลักการของการคัดกรองความเป็นพิษสังเคราะห์

การเกิดพิษร้ายแรงแบบสังเคราะห์เกิดขึ้นเมื่อการสูญเสียยีนสองตัวพร้อมกันทำให้เซลล์ตาย ในขณะที่การสูญเสียยีนใดยีนหนึ่งเพียงอย่างเดียวสามารถทนได้ ในมะเร็ง การกลายพันธุ์เฉพาะของเนื้องอกสร้างความพึ่งพิงต่อยีนคู่หูซึ่งกลายเป็นเป้าหมายในการรักษา การยับยั้งยีนคู่หูเหล่านี้จะฆ่าเซลล์มะเร็งที่มีกลายพันธุ์ที่ไวต่อยีนเฉพาะอย่างเลือกได้ ในขณะที่เซลล์ปกติที่มีเส้นทางการชดเชยที่สมบูรณ์จะยังคงอยู่

การอธิบายเชิงพันธุกรรมอย่างครอบคลุมของแผง NCI-60 ช่วยให้สามารถจำแนกสายพันธุ์เซลล์ตามสถานะการกลายพันธุ์เพื่อการคัดกรองเปรียบเทียบได้ สายพันธุ์เซลล์ที่มีการกลายพันธุ์เฉพาะที่สนใจจะถูกเปรียบเทียบกับสายพันธุ์ปกติเพื่อระบุยีนที่มีความจำเป็นเฉพาะในบริบทของสายพันธุ์ที่กลายพันธุ์ การเปรียบเทียบแบบคล้ายคลึงกันนี้ในแผงที่มีความหลากหลายทางพันธุกรรมช่วยระบุปฏิสัมพันธ์แบบสังเคราะห์ที่รุนแรงซึ่งมีศักยภาพในการนำไปใช้ทางคลินิก

เทคโนโลยีการคัดกรองแบบผ่านปริมาณสูงช่วยให้สามารถตรวจสอบปฏิสัมพันธ์ที่เป็นอันตรายถึงชีวิตในระดับจีโนมได้ ไลบรารี siRNA และ shRNA ที่กำหนดเป้าหมายไปยังยีนทั้งหมดของมนุษย์สามารถระบุยีนที่จำเป็นต่อการอยู่รอดของเซลล์มะเร็งได้อย่างเป็นระบบ การคัดกรองแบบ knockout ด้วย CRISPR-Cas9 ให้ความแม่นยำที่สูงขึ้นและลดผลกระทบที่ไม่ตรงเป้าหมายซึ่งทำให้วิธีการ RNAi ก่อนหน้านี้ซับซ้อน ทั้งสองเทคโนโลยีได้รับการนำไปใช้อย่างประสบความสำเร็จในเซลล์ไลน์ของ NCI panel

กระบวนทัศน์ความเป็นพิษสังเคราะห์ BRCA-PARP

ปฏิสัมพันธ์ที่เป็นอันตรายถึงชีวิตแบบสังเคราะห์ระหว่างการสูญเสีย BRCA1/2 และการยับยั้ง PARP เป็นตัวอย่างของการแปลผลสำเร็จจากการคัดกรองสายพันธุ์เซลล์ไปสู่การบำบัดมะเร็งที่ได้รับการอนุมัติ เซลล์ที่ขาด BRCA ซึ่งไม่สามารถทำการซ่อมแซมดีเอ็นเอแบบโฮโมลอกัสรีคอมบิเนชันได้ ต้องพึ่งพาการซ่อมแซมดีเอ็นเอแบบเบสเอ็กซิชันที่อาศัย PARP เพื่อความอยู่รอด การยับยั้ง PARP ในเซลล์ที่มีการกลายพันธุ์ BRCA ทำให้เกิดความเสียหายต่อดีเอ็นเอสะสมและเซลล์ตาย

เซลล์ไลน์ชนิด NCI panel มีบทบาทสำคัญในการยืนยันความเป็นพิษสังเคราะห์ของ BRCA-PARP และอธิบายลักษณะของปัจจัยกำหนดความไวต่อ PARP inhibitor นอกเหนือจากการกลายพันธุ์ BRCA ในสายพันธุกรรม การกลายพันธุ์ในเซลล์ปกติและการปิดเงียบทางอีพิเจเนติกของยีนที่เกี่ยวข้องกับการจับคู่ homologous recombination ก่อให้เกิดลักษณะ "BRCAness" ที่สามารถทำนายการตอบสนองต่อ PARP inhibitor ได้ การคัดกรองเซลล์ไลน์ได้ระบุข้อบกพร่องทางเลือกเหล่านี้ ซึ่งขยายกลุ่มประชากรที่อาจได้รับประโยชน์จากการยับยั้ง PARP

เซลล์ HCT116ที่ขาด MLH1 ให้แบบจำลอง MSI-high สำหรับการประเมินสารยับยั้งเส้นทางการซ่อมแซมดีเอ็นเอ คู่สายเซลล์ที่มีพันธุกรรมเหมือนกันแต่มีการดัดแปลงทางพันธุกรรมที่กำหนดไว้ ช่วยให้สามารถตรวจสอบการเกิดความเป็นพิษแบบสังเคราะห์ (synthetic lethality) ได้อย่างควบคุมเซลล์ DLD-1 และเซลล์ SW620มีส่วนช่วยในการสร้างแบบจำลองมะเร็งลำไส้ใหญ่และทวารหนักเพิ่มเติม โดยมีสถานะของเส้นทางการซ่อมแซมดีเอ็นเอที่แตกต่างกัน

การคัดกรองทั่วทั้งจีโนมโดยใช้ CRISPR

เทคโนโลยี CRISPR-Cas9 ได้ปฏิวัติการคัดกรองความเป็นพิษสังเคราะห์โดยทำให้สามารถกำจัดยีนได้อย่างแม่นยำโดยมีผลข้างเคียงนอกเป้าหมายน้อยที่สุด ไลบรารี CRISPR ทั่วทั้งจีโนมที่มี RNA นำทางซึ่งกำหนดเป้าหมายยีนมนุษย์ทั้งหมดจะถูกส่งไปยังประชากรเซลล์สายพันธุ์ และการลดลงของตัวนำทางเมื่อเวลาผ่านไปจะระบุยีนที่จำเป็นต่อการอยู่รอดของเซลล์ การคัดกรองเปรียบเทียบระหว่างเซลล์ไลน์ในพาเนล NCI จะระบุยีนที่จำเป็นซึ่งขึ้นอยู่กับบริบทซึ่งแสดงถึงปฏิสัมพันธ์ที่เป็นพิษสังเคราะห์

โครงการ Achilles และโครงการที่เกี่ยวข้องได้ดำเนินการคัดกรอง CRISPR อย่างเป็นระบบในเซลล์มะเร็งหลายร้อยสายพันธุ์ รวมถึงสมาชิก NCI-60 แผนที่การพึ่งพาที่เกิดขึ้นเผยให้เห็นยีนที่จำเป็นร่วมกันที่เซลล์มะเร็งทุกชนิดต้องการ และการพึ่งพาที่เฉพาะเจาะจงตามบริบทซึ่งเกี่ยวข้องกับการกลายพันธุ์เฉพาะ ฐานข้อมูลนี้ช่วยให้สามารถค้นหาปฏิสัมพันธ์ที่เป็นอันตรายแบบสังเคราะห์ได้โดยไม่ต้องทำการคัดกรองใหม่

เซลล์ไลน์ที่มี KRAS-mutant แสดงการพึ่งพาสมาชิกในเส้นทาง KRAS ซึ่งอาจเป็นเป้าหมายได้ผ่านวิธีการสังเคราะห์ความเป็นพิษถึงตายA549 เซลล์ที่มีการกลายพันธุ์ KRAS G12S แสดงการพึ่งพาส่วนประกอบในเส้นทาง SHP2, RAF และ MEKNCI-H358 เซลล์ที่มี KRAS G12C สามารถประเมินปฏิสัมพันธ์สังเคราะห์ความเป็นพิษเฉพาะอัลลีลได้เซลล์ NCI-H460ให้แบบจำลองมะเร็งปอดชนิดเซลล์ขนาดใหญ่ที่มีการกลายพันธุ์ของ KRAS เพิ่มเติม

แนวทางการทำนายเชิงคำนวณ

ชุดข้อมูลหลายมิติขนาดใหญ่ที่สร้างขึ้นจากแผงของ NCI ช่วยให้สามารถทำนายปฏิสัมพันธ์ที่เป็นอันตรายถึงชีวิตแบบสังเคราะห์ได้ด้วยการคำนวณ อัลกอริทึมการเรียนรู้ของเครื่องที่ได้รับการฝึกฝนจากคู่ปฏิสัมพันธ์ที่เป็นอันตรายถึงชีวิตแบบสังเคราะห์ที่รู้จักแล้วสามารถระบุคุณลักษณะที่ทำนายปฏิสัมพันธ์ทางพันธุกรรมได้ วิธีการเชิงคำนวณเหล่านี้ให้ความสำคัญกับปฏิสัมพันธ์ที่เป็นไปได้สำหรับการตรวจสอบในเชิงทดลอง ลดภาระในการคัดกรองการรวมกันของยีนทุกคู่ที่เป็นไปได้

การวิเคราะห์ความสัมพันธ์ของการแสดงออกของยีนระบุยีนที่มีการแสดงออกร่วมกันในเซลล์ไลน์ NCI-60 หลายชนิด ซึ่งบ่งชี้ถึงความสัมพันธ์เชิงหน้าที่ รูปแบบการแสดงออกที่สัมพันธ์กันในทางตรงกันข้ามอาจบ่งชี้ถึงความสัมพันธ์แบบสังเคราะห์ถึงตาย ซึ่งเกิดการชดเชยในระดับการแสดงออก การบูรณาการข้อมูลการแสดงออกกับเครือข่ายปฏิสัมพันธ์ทางพันธุกรรมจากสิ่งมีชีวิตต้นแบบช่วยถ่ายทอดความรู้ไปสู่บริบทของมะเร็งในมนุษย์

การวิเคราะห์ในระดับเส้นทาง (Pathway-level analysis) จัดกลุ่มปฏิสัมพันธ์ที่เป็นพิษแบบสังเคราะห์ (synthetic lethal interactions) ตามหมวดหมู่หน้าที่การทำงาน (functional categories) การตอบสนองต่อความเสียหายของดีเอ็นเอ (DNA damage response) การควบคุมวัฏจักรเซลล์ (cell cycle regulation) และเส้นทางเมตาบอลิซึม (metabolic pathways) มีความเข้มข้นสูงสำหรับปฏิสัมพันธ์ที่เป็นพิษแบบสังเคราะห์ที่สามารถนำไปใช้ประโยชน์ในการรักษาได้ มุมมองจากเส้นทางเหล่านี้ช่วยชี้นำการเลือกเป้าหมายไปสู่ปฏิสัมพันธ์ที่มี

การเสพติดออนโคจีนและความเป็นพิษถึงตายแบบสังเคราะห์

การเสพติดออนโคจีนเป็นกรณีพิเศษของความตายแบบสังเคราะห์เทียมที่เซลล์มะเร็งต้องพึ่งพาการทำงานอย่างต่อเนื่องของออนโคจีนตัวขับเคลื่อน การหยุดการส่งสัญญาณออนโคจีนผ่านวิธีการทางพันธุกรรมหรือทางเภสัชวิทยาทำให้เกิดการตายของเซลล์แม้ว่าจะมีการกลายพันธุ์อื่นๆ อยู่ก็ตาม การคัดกรองโดยคณะกรรมการของ NCI จะระบุยีนที่จำเป็นเฉพาะในบริบทที่ขับเคลื่อนด้วยออนโคจีน

เซลล์ไลน์ที่ขับเคลื่อนโดย MYC ภายใน NCI-60 แสดงให้เห็นถึงการพึ่งพาโปรแกรมเมตาบอลิซึมและชีวสังเคราะห์ที่ถูกควบคุมโดย MYC แม้ว่าตัว MYC เองยังคงเป็นเป้าหมายที่ท้าทายในการโจมตีโดยตรง แต่พันธมิตรสังเคราะห์ที่ทำให้เกิดผลร้ายแรงถึงตายได้ เช่น CDK9, AURKA และเอนไซม์เมตาบอลิซึม ให้จุดแทรกแซงทางเลือก การคัดกรองระหว่างเซลล์ไลน์ที่มีการเพิ่มจำนวน MYC กับเซลล์ไลน์ที่มีจำนวนโครโมโซมปกติจะระบุการพึ่งพาที่สามารถเป็นเป้าหมายได้เหล่านี้

เซลล์ K562ที่ถูกกระตุ้นโดย BCR-ABL แสดงให้เห็นถึงการพึ่งพาออนโคจีนอย่างรุนแรง ซึ่งสามารถถูกใช้ประโยชน์โดยยาอิมาทินิบและ TKIs ที่เกี่ยวข้อง โมเดลนี้ช่วยให้สามารถศึกษาถึงกลไกที่รักษาการพึ่งพาออนโคจีนและกลยุทธ์ในการเอาชนะการดื้อยาที่เกิดขึ้นได้เซลล์ HL-60ให้แบบจำลองของโรคมะเร็งเม็ดเลือดขาวเฉียบพลันที่มีการเพิ่มจำนวน MYC สำหรับการศึกษาความเป็นพิษแบบสังเคราะห์

การตรวจสอบความถูกต้องและการนำไปใช้ทางคลินิก

ปฏิสัมพันธ์ที่เป็นอันตรายถึงชีวิตซึ่งตรวจพบผ่านการคัดกรองโดยใช้แผงของ NCI จำเป็นต้องได้รับการตรวจสอบความถูกต้องอย่างเข้มงวดก่อนที่จะนำไปใช้ในทางคลินิก การยืนยันอิสระโดยใช้วิธีการที่ไม่เกี่ยวข้องกัน (เช่น ตัวทำปฏิกิริยา RNAi ที่แตกต่างกัน, CRISPR, โมเลกุลขนาดเล็ก) จะช่วยสร้างความมั่นคง การตรวจสอบความถูกต้องในหลายสายพันธุ์ของเซลล์ที่มีการกลายพันธุ์ร่วมกันจะแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการนำไปใช้ทั่วไปนอกเหนือจากบริบทของสายพันธุ์เซลล์แต่ละชนิด

แบบจำลองเนื้องอกที่ปลูกถ่ายจากผู้ป่วย (PDX) ให้บริบทที่เกี่ยวข้องทางคลินิกสำหรับการตรวจสอบความถูกต้องของการเกิดความเป็นพิษแบบสังเคราะห์ การผสมผสานยาที่ใช้ประโยชน์จากการมีปฏิสัมพันธ์ที่เป็นพิษแบบสังเคราะห์จะถูกประเมินในแบบจำลอง PDX ที่ได้มาจากผู้ป่วยที่มีการกลายพันธุ์ที่เกี่ยวข้อง การตรวจสอบความถูกต้องแบบเป็นขั้นตอนนี้เพิ่มความมั่นใจในการแปลผลทางคลินิกโดยการแสดงให้เห็นถึงกิจกรรมในแบบจำลองที่รักษาความหลากหลายของเนื้องอกของผู้ป่วย

การประกันคุณภาพช่วยให้ผลการคัดกรองมีความน่าเชื่อถือการตรวจสอบสายพันธุ์เซลล์ยืนยันตัวตนของสายพันธุ์เซลล์ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อพิจารณาถึงปัญหาการระบุสายพันธุ์ผิดพลาดที่มีเอกสารบันทึกไว้การทดสอบไมโคพลาสมาช่วยรักษาความสมบูรณ์ของการเพาะเลี้ยงตลอดกระบวนการคัดกรองสารอาหาร RPMI 1640และDMEMให้สภาวะการเพาะเลี้ยงที่เป็นมาตรฐานสำหรับผลการคัดกรองที่สม่ำเสมอ

เป้าหมายการสังเคราะห์ที่เป็นอันตรายต่อชีวิตที่กำลังเกิดขึ้น

นอกเหนือจากตัวยับยั้ง PARP แล้ว ยังมีกลยุทธ์การรักษาแบบสังเคราะห์ถึงตายหลายรูปแบบที่กำลังก้าวหน้าผ่านการพัฒนาทางคลินิก มะเร็งที่มีการกลายพันธุ์ของยีน ARID1A แสดงให้เห็นถึงความเป็นพิษถึงตายแบบสังเคราะห์เมื่อยับยั้ง EZH2 ซึ่งนำไปสู่การพัฒนาทาเซเมโทสแทตสำหรับมะเร็งเนื้อเยื่อเกี่ยวพันชนิด epithelioid sarcoma และมะเร็งต่อมน้ำเหลืองชนิด follicular lymphoma ยับยั้ง ATR และ CHK1 ใช้ประโยชน์จากความเป็นพิษถึงตายแบบสังเคราะห์ในมะเร็งที่ขาด ATM ซึ่งไม่สามารถกระตุ้นจุดตรวจสอบความเสียหายของดีเอ็นเอทางเลือกได้

การสังเคราะห์ความเป็นพิษแบบสังเคราะห์ทางเมตาบอลิซึมมุ่งเป้าไปที่การพึ่งพาเมตาบอลิซึมเฉพาะของมะเร็ง เนื้องอกที่มีการกระตุ้นยีนก่อมะเร็งเฉพาะหรือการสูญเสียยีนกดมะเร็งแสดงให้เห็นถึงการใช้เส้นทางเมตาบอลิซึมที่เปลี่ยนแปลงไป ซึ่งสร้างจุดอ่อนที่สามารถใช้ยาได้ ข้อมูลเมตาโบโลมิกและความไวต่อยาของคณะกรรมการ NCI ช่วยในการระบุปฏิสัมพันธ์ของการสังเคราะห์ความเป็นพิษแบบสังเคราะห์ทางเมตาบอลิซึม

การเกิดพิษแบบสังเคราะห์ทางภูมิคุ้มกันบำบัด (Immunotherapy synthetic lethality) เป็นแนวคิดที่กำลังเกิดขึ้นใหม่ ซึ่งการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมสามารถทำนายการตอบสนองต่อยาที่ยับยั้งจุดตรวจภูมิคุ้มกัน (immune checkpoint inhibitors) การสูญเสียยีนที่เกี่ยวข้องกับกลไกการนำเสนอแอนติเจน (antigen presentation machinery) ทำให้เกิดการพึ่งพาการยับยั้งจุดตรวจภูมิคุ้มกันเพื่อหลบเลี่ยงการตอบสนองของระบบภูมิคุ้มกัน การวิเคราะห์ลักษณะของยีนที่เกี่ยวข้องกับการตอบสนองต่อภูมิคุ้มกันโดยคณะผู้เชี่ยวชาญของ NCI (NCI panel characterization) ช่วยให้สามารถทำนาย

สรุป

ชุดเซลล์ไลน์มะเร็งของ NCI ให้แพลตฟอร์มที่จำเป็นสำหรับการระบุและตรวจสอบปฏิสัมพันธ์ที่เป็นอันตรายถึงชีวิตแบบสังเคราะห์อย่างเป็นระบบ ความสำเร็จของความเป็นอันตรายถึงชีวิตแบบสังเคราะห์ของ BRCA-PARP แสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการแปลผลการค้นพบจากเซลล์ไลน์สู่การปฏิบัติจริง ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีการคัดกรอง CRISPR และวิธีการทำนายเชิงคำนวณยังคงขยายแคตตาล็อกของปฏิสัมพันธ์ที่เป็นอันตรายถึงชีวิตแบบสังเคราะห์ที่สามารถนำไปใช้ได้ การบูรณาการข้อมูลการคัดกรองกับการตรวจสอบทางคลินิกในแบบจำลองที่ได้จากผู้ป่วยช่วยเร่งการแปลผลการค้นพบความเป็นอันตรายถึงชีวิตแบบสังเคราะห์ไปสู่การรักษาโรคมะเร็งที่มีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น