Using NCI Panels for Synthetic Lethality Screening

使用 NCI 面板进行合成致死率筛选

合成致死性是一种强大的治疗策略，它利用癌细胞特有的基因弱点，同时保护正常组织。当一个基因的缺失导致细胞依赖第二个基因生存时，抑制第二个基因就能选择性地杀死携带第一个突变的癌细胞。NCI-60 和相关的癌细胞系面板具有全面的基因组特征和高通量筛选基础设施，为系统鉴定适用于精准肿瘤学的合成致死相互作用提供了理想的平台。

主要启示

• 使用 siRNA、shRNA 和 CRISPR 文库，NCI 癌细胞系板可进行基因组规模的合成致死筛选
• 将筛选数据与基因组注释整合，确定可用于治疗的基因型特异性依赖关系
• BRCA1/2-PARP 抑制剂的合成致死率是细胞系筛选成功临床转化的典范
• 在具有定义突变的面板中进行功能缺失筛选，找出依赖于上下文的重要基因
• 从NCI面板多组数据中预测合成致死相互作用的计算方法

合成致死筛选原理

合成致死性是指两个基因同时缺失会导致细胞死亡，而单独缺失其中一个基因则可以耐受。在癌症中，肿瘤特异性突变会对成为治疗靶点的伙伴基因产生依赖性。抑制这些伙伴基因可以选择性地杀死携带致敏突变的癌细胞，而放过具有完整代偿途径的正常细胞。

NCI-60 小组的全面基因组注释可根据突变状态对细胞系进行分层，以便进行比较筛选。将携带特定突变的细胞系与野生型细胞系进行比较，以确定突变背景下的选择性必需基因。这种在基因多样性面板上进行的同源比较，可识别出具有临床转化潜力的强合成致死相互作用。

通过高通量筛选技术，可以对合成致死相互作用进行基因组规模的检测。靶向所有人类基因的 siRNA 和 shRNA 文库可以系统地识别癌细胞存活所必需的基因。CRISPR-Cas9 基因敲除筛选技术提供了更高的精确度，并减少了使早期 RNAi 方法复杂化的脱靶效应。这两种技术都已成功应用于 NCI 细胞系。

BRCA-PARP 合成致死范例

BRCA1/2 缺失与 PARP 抑制之间的合成致死相互作用是细胞系筛选成功转化为获批癌症疗法的典范。BRCA 缺陷细胞无法进行同源重组 DNA 修复，需要依靠 PARP 介导的碱基切除修复才能存活。抑制 BRCA 突变细胞中的 PARP 会导致 DNA 损伤积累和细胞死亡。

在验证 BRCA-PARP 合成致死率和确定 PARP 抑制剂敏感性的决定因素方面，NCI 小组细胞系发挥了重要作用。除了生殖系 BRCA 基因突变外，体细胞突变和同源重组基因的表观遗传沉默也会产生 "BRCAness "表型，从而预测 PARP 抑制剂的反应。细胞系筛选确定了这些替代缺陷，扩大了可能从 PARP 抑制剂中获益的人群。

缺乏 MLH1 的HCT116 细胞为评估 DNA 修复途径抑制剂提供了 MSI 高模型。经过基因修饰的同源细胞系对可进行受控合成致死率验证。DLD-1 细胞和SW620 细胞提供了更多具有不同 DNA 修复途径状态的结直肠癌模型。

基于 CRISPR 的全基因组筛选

CRISPR-Cas9 技术实现了精确基因敲除，并将脱靶效应降至最低，从而彻底改变了合成致死率筛选。全基因组 CRISPR 文库中含有靶向所有人类基因的引导 RNA，可将其传递到细胞系群体中，随着时间的推移，引导 RNA 的消耗可识别出对细胞存活至关重要的基因。在 NCI 细胞系中进行比较筛选，找出代表合成致死相互作用的上下文依赖性重要基因。

Achilles 项目和相关计划对数百种癌症细胞系（包括 NCI-60 成员）进行了系统的 CRISPR 筛选。由此绘制的依赖关系图揭示了所有癌细胞所需的共同重要基因，以及与特定突变相关的上下文特异性依赖关系。有了这一资源，无需进行新的筛选，就能挖掘出合成的致死相互作用。

KRAS 突变细胞系显示了对 KRAS 通路成员的依赖性，这些成员可能是合成致死方法的靶标。携带 KRAS G12S 突变的A549 细胞显示出对 SHP2、RAF 和 MEK 通路成分的依赖性。含有 KRAS G12C 的NCI-H358 细胞可评估等位基因特异性合成致死相互作用。NCI-H460 细胞提供了更多的 KRAS 突变大细胞肺癌模型。

计算预测方法

从 NCI 面板生成的大规模多原子数据集可用于合成致死相互作用的计算预测。在已知合成致死配对上训练的机器学习算法可识别预测基因相互作用的特征。这些计算方法将候选相互作用优先用于实验验证，减轻了筛选每种可能基因组合的负担。

基因表达相关性分析确定了在 NCI-60 细胞系中共同表达的基因，提示了功能关系。反相关表达模式可能表明在表达水平上发生补偿的合成致死关系。将表达数据与模式生物的基因相互作用网络相结合，可将知识转移到人类癌症的背景中。

通路级分析按功能类别对合成致死相互作用进行分组。DNA 损伤反应、细胞周期调控和新陈代谢通路富含可用于治疗的合成致死相互作用。这种通路视角引导靶点选择，使其与多个可药物治疗的节点相互作用。

肿瘤基因成瘾与合成致死性

癌基因成瘾是合成致死的一种特殊情况，癌细胞依赖于驱动型癌基因的持续活性。尽管存在其他突变，但通过基因或药物手段撤消致癌信号转导会导致细胞死亡。NCI 小组筛选确定了在癌基因驱动情况下特别需要的基因。

NCI-60 中的 MYC 驱动细胞系显示出对 MYC 调控的代谢和生物合成程序的依赖性。虽然直接针对 MYC 本身仍具有挑战性，但包括 CDK9、AURKA 和代谢酶在内的合成致死伙伴提供了替代干预点。在 MYC 扩增细胞系与二倍体细胞系之间进行筛选，确定了这些可靶向的依赖性。

由 BCR-ABL 驱动的K562 细胞显示了伊马替尼和相关 TKIs 对癌基因的深度依赖。这种模型有助于研究维持癌基因成瘾的机制和克服获得性抗药性的策略。HL-60 细胞为合成致死率研究提供了 MYC 扩增的急性髓性白血病模型。

验证和临床转化

通过 NCI 小组筛选确定的合成致死相互作用在临床转化之前需要严格的验证。使用正交方法（不同的 RNAi 试剂、CRISPR、小分子）进行独立确认可建立稳健性。在具有共同突变的多个细胞系中进行验证，证明其通用性超越了单个细胞系的范畴。

患者衍生异种移植（PDX）模型为合成致死性验证提供了临床相关的环境。利用合成致死相互作用的药物组合在具有相关突变的患者衍生异种移植（PDX）模型中进行评估。通过在保持患者肿瘤异质性的模型中展示药物活性，这种分阶段验证增强了临床转化的信心。

质量保证确保筛选结果可靠。细胞系鉴定可确认细胞系的身份，这对已记录在案的错误鉴定问题至关重要。支原体检测可在整个筛选过程中保持培养基的完整性。RPMI 1640 培养基和DMEM可提供标准化的培养条件，从而获得一致的筛选结果。

新出现的合成致命靶点

除 PARP 抑制剂外，多种合成致死治疗策略也在临床开发中取得进展。ARID1A突变型癌症在EZH2抑制剂的作用下表现出合成致死性，从而开发出治疗上皮样肉瘤和滤泡性淋巴瘤的他唑美司他。ATR 和 CHK1 抑制剂可利用无法激活替代 DNA 损伤检查点的 ATM 缺陷癌症的合成致死性。

代谢合成致死针对癌症特异性代谢依赖性。特异性癌基因激活或肿瘤抑制因子缺失的肿瘤显示出代谢途径利用的改变，从而产生了可用药的弱点。NCI 小组的代谢组学和药物敏感性数据为识别代谢合成致死相互作用提供了信息。

免疫疗法合成致死代表了一个新兴概念，即基因改变可预测对免疫检查点抑制剂的反应。抗原递呈机制基因的缺失造成了免疫逃避对检查点抑制剂的依赖。NCI 小组对免疫相关基因表达的表征为免疫疗法合成致死率的预测提供了信息。

结论

NCI 癌细胞系面板为系统识别和验证合成致死相互作用提供了重要平台。BRCA-PARP 合成致死性的成功证明了基于细胞系发现的转化潜力。CRISPR 筛选技术和计算预测方法的进步继续扩大了可操作的合成致死相互作用的目录。将筛选数据与患者衍生模型的临床验证相结合，可加速将合成致死性发现转化为更好的癌症治疗方法。