Using NCI Panels for Synthetic Lethality Screening

利用 NCI 面板進行合成致死性篩選

合成致死性是一種強大的治療策略，能利用癌細胞特有的遺傳脆弱性，同時避免損害正常組織。當某個基因缺失導致細胞生存必須依賴另一個基因時，抑制該第二個基因便能選擇性地殺死攜帶第一個突變的癌細胞。 NCI-60 及其相關癌細胞系面板，憑藉其全面的基因組特徵分析與高通量篩選基礎設施，為系統性識別適用於精準腫瘤學的合成致死相互作用提供了理想平台。

重點摘要

• NCI 癌症細胞系面板可透過 siRNA、shRNA 及 CRISPR 文庫，進行全基因組規模的合成致死性篩選
• 將篩選數據與基因組註釋整合，可識別出可應用於治療的基因型特異性依賴性
• BRCA1/2-PARP 抑制劑的合成致死性，正是細胞系篩選成功轉化為臨床應用的典範
• 在具有定義明確突變的面板中進行功能喪失篩選，可識別出依賴於特定背景的必需基因
• 透過計算方法，可根據 NCI 面板的多組學數據預測合成致死相互作用

發佈日期：2023年 | 最後審閱日期：2026年5月

合成致死篩選原理

當同時喪失兩個基因會導致細胞死亡，而單獨喪失任一基因則可被耐受時，即發生合成致死現象。在癌症中，腫瘤特異性突變會產生對合作基因的依賴性，這些基因因而成為治療靶點。抑制這些合作基因可選擇性地殺死攜帶致敏突變的癌細胞，同時保留具有完整補償途徑的正常細胞。

NCI-60 基因組面板的全面基因組註釋，可依據突變狀態對細胞系進行分層，以進行比較性篩選。將攜帶特定目標突變的細胞系與野生型細胞系進行比較，藉此識別在突變背景下具有選擇性必需性的基因。透過此種跨越遺傳多樣性面板的近等基因比較，可識別出具有臨床轉化潛力的穩健合成致死相互作用。

高通量篩選技術可實現對合成致死相互作用的基因組規模探究。針對所有人類基因的 siRNA 和 shRNA 文庫，能系統性地識別對癌細胞存活至關重要的基因。CRISPR-Cas9 敲除篩選不僅提供更高精度，還能減少先前 RNAi 方法中造成複雜性的脫靶效應。這兩種技術均已成功應用於 NCI 細胞系面板中。

BRCA-PARP 合成致死範式

BRCA1/2缺失與PARP抑制之間的合成致死相互作用，正是從細胞系篩選成功轉化為獲准癌症療法的典範。BRCA缺失的細胞無法進行同源重組DNA修復，其生存依賴於PARP介導的鹼基切除修復。在BRCA突變細胞中抑制PARP，會導致DNA損傷累積並引發細胞死亡。

NCI 細胞系組合在驗證 BRCA-PARP 合成致死性及闡明 PARP 抑制劑敏感性決定因素方面發揮了關鍵作用。除了胚系 BRCA 突變外，體細胞突變以及同源重組基因的表觀遺傳沉默，都會產生可預測 PARP 抑制劑反應的「BRCAness」表型。 透過細胞系篩選，已鑑定出這些替代性缺陷，從而擴大了可能從 PARP 抑制中受益的細胞群體。

具有 MLH1 缺陷的 HCT116 細胞，提供了用於評估 DNA 修復途徑抑制劑的高微衛星不穩定性（MSI-high）模型。具有明確遺傳修飾的同源細胞系對，可實現受控的合成致死性驗證。DLD-1 細胞與 SW620 細胞則提供了具有不同 DNA 修復途徑狀態的額外大腸癌模型。

基於 CRISPR 的全基因組篩選

CRISPR-Cas9 技術透過實現精準的基因敲除並將脫靶效應降至最低，徹底改變了合成致死性篩選的方式。將包含針對所有人類基因的引導 RNA 的全基因組 CRISPR 文庫導入細胞系群體中，並透過隨時間推移的引導 RNA 耗竭，識別出對細胞存活至關重要的基因。 透過對 NCI 細胞系面板進行比較篩選，可識別出代表合成致死相互作用、且取決於特定背景的必需基因。

「阿基里斯計畫」（Project Achilles）及相關計畫已針對數百種癌症細胞系（包括 NCI-60 成員）進行系統性的 CRISPR 篩選。所得的依賴性圖譜揭示了所有癌症細胞所需的共同必需基因，以及與特定突變相關的上下文特定依賴性。此資源使研究人員無需進行新的篩選，即可挖掘合成致死相互作用。

KRAS 突變細胞系展現出對 KRAS 路徑成員的依賴性，這些成員可透過合成致死策略作為潛在靶點。攜帶 KRAS G12S 突變的 A549 細胞顯示出對 SHP2、RAF 及 MEK 路徑組分的依賴性。 攜帶 KRAS G12C 突變的 NCI-H358 細胞，可應用於評估等位基因特異性合成致死相互作用。NCI-H460 細胞則提供了另一種 KRAS 突變型大細胞肺癌模型。

發佈日期：2023年 | 最後審閱日期：2026年5月

計算預測方法

由 NCI 細胞系面板所產生的大規模多組學資料集，可實現對合成致死相互作用的計算預測。透過已知合成致死配對進行訓練的機器學習演算法，能識別出可預測基因相互作用的特徵。這些計算方法可對候選相互作用進行優先排序以供實驗驗證，從而減輕篩選所有可能基因組合的負擔。

基因表達相關性分析可識別在 NCI-60 細胞系中共同表達的基因，從而提示其功能關係。負相關的表達模式可能表明存在合成致死關係，其中補償作用發生在表達層面。將表達數據與模式生物的基因互動網路整合，可將相關知識轉移至人類癌症情境中。

通路層級分析將合成致死相互作用按功能類別分組。DNA 損傷反應、細胞週期調控及代謝通路中，富含可應用於治療的合成致死相互作用。此通路視角引導靶點選擇，著眼於涉及多個可藥物靶點的相互作用。

致癌基因依賴性與合成致死性

致癌基因依賴性是合成致死性的一種特殊情況，其特徵在於癌細胞依賴驅動型致癌基因的持續活性。即使存在其他突變，若透過遺傳或藥理學手段切斷致癌基因訊號傳導，仍會導致細胞死亡。NCI 面板篩檢可識別出在致癌基因驅動情境下所必需的特定基因。

NCI-60 中的 MYC 驅動細胞系顯示出對 MYC 調控的代謝與生物合成程式的依賴性。雖然 MYC 本身仍難以直接作為靶點，但包括 CDK9、AURKA 及代謝酶在內的合成致死夥伴，提供了替代的干預點。 透過對 MYC 擴增細胞系與二倍體細胞系進行篩選，可識別出這些可靶向的依賴性。

由 BCR-ABL 驅動的 K562 細胞展現出顯著的致癌基因成癮性，此特性可被伊馬替尼（imatinib）及相關酪氨酸激酶抑制劑（TKIs）所利用。此模型有助於探究維持致癌基因成癮性的機制，以及克服獲得性抗藥性的策略。HL-60 細胞則為合成致死性研究提供了 MYC 擴增的急性骨髓性白血病模型。

驗證與臨床轉化

透過 NCI 面板篩選所識別的合成致死相互作用，在進行臨床轉化前需經過嚴格驗證。利用正交方法（不同的 RNAi 試劑、CRISPR、小分子）進行獨立確認，可確立其可靠性。在具有共同突變的多個細胞系中進行驗證，可證明其適用範圍超越單一細胞系的背景。

患者來源異種移植（PDX）模型為合成致死效應的驗證提供了具臨床相關性的背景。利用合成致死相互作用的藥物組合，會在源自具有相關突變患者的 PDX 模型中進行評估。這種分階段驗證透過在維持患者腫瘤異質性的模型中展示活性，從而提高臨床轉化的可信度。

品質保證確保篩選結果的可靠性。細胞系認證可確認細胞系身分，鑑於已知存在誤認問題，此步驟至關重要。支原體檢測確保在整個篩選過程中維持培養環境的完整性。RPMI 1640 培養基與 DMEM 則提供標準化的培養條件，以確保篩選結果的一致性。

新興的合成致死靶點

除了 PARP 抑制劑之外，多項基於合成致死性的治療策略正積極推進臨床開發。 ARID1A 突變的癌症在 EZH2 抑制下呈現合成致死性，進而推動 tazemetostat 用於上皮樣肉瘤和濾泡性淋巴瘤的開發。ATR 和 CHK1 抑制劑則利用 ATM 缺陷型癌症無法激活替代性 DNA 損傷檢查點的特性，發揮合成致死作用。

代謝性合成致死針對癌症特異性的代謝依賴性。具有特定致癌基因活化或腫瘤抑制基因缺失的腫瘤，其代謝途徑利用方式會發生改變，從而形成可藥物干預的脆弱點。NCI 面板的代謝組學及藥物敏感性數據，有助於識別代謝性合成致死相互作用。

免疫療法合成致死性是一種新興概念，其中基因變異可預測對免疫檢查點抑制劑的反應。抗原呈遞機制基因的缺失，會導致腫瘤必須依賴檢查點抑制來逃避免疫監控。NCI 面板對免疫相關基因表達的特徵分析，有助於預測免疫療法合成致死性。

結論

NCI 癌症細胞系面板為系統性識別與驗證合成致死相互作用提供了關鍵平台。BRCA-PARP 合成致死性的成功案例，彰顯了基於細胞系的發現所具備的轉譯潛力。 CRISPR篩選技術與計算預測方法的進展，持續擴充可操作性合成致死相互作用的目錄。將篩選數據與患者來源模型中的臨床驗證相結合，可加速將合成致死發現轉化為更完善的癌症治療方案。