癌细胞如何修复下一代放射治疗引起的DNA损伤

基础科学研究所(IBS)基因组完整性中心(CGI)分子癌症研究科(MCRS)科长Kei-ichi TAKATA博士领导的研究小组的Yi和Sung等人的工作，发现了一种处理新一代癌症疗法(重离子疗法)引起的DNA损伤的新机制。

　　

   

   

由基础科学研究所(IBS)基因组完整性中心(CGI)的Kei-ichi TAKATA博士领导的科学家团队发现了一种新型的DNA修复机制，癌细胞用于从新一代癌症放射治疗中恢复。

电离辐射(IR)疗法经常用于治疗癌症，据信可以通过诱导DNA断裂来破坏癌细胞。最新的放射疗法利用粒子加速器产生的辐射，粒子加速器由带电的重粒子(如碳离子)组成。粒子加速器将碳离子加速到大约70%的光速，从而与癌细胞的DNA发生碰撞并破坏癌细胞的DNA。

这些离子具有很高的线性能量转移(LET)，并在短范围内释放大部分能量，称为布拉格峰。下一代癌症放射治疗的工作原理是将布拉格峰聚焦在肿瘤上，与常用的低LET辐射(如伽马射线或x射线)相比，它具有最大限度地减少对周围正常组织的损害的额外好处(图1A)。

目前世界上只有少数医疗机构具备提供这种下一代放射治疗的能力，尽管未来有望部署更多的医疗机构。

重离子轰击(高LET辐射)引起的DNA损伤比传统放射治疗(低LET辐射)引起的DNA损伤更“复杂”。前者携带额外的DNA损伤，如在双链断裂(DSB)位点附近的无嘌呤/吡嘧啶(AP)位点和胸腺二醇(Tg)，这比普通DNA损伤更难修复。因此，先进的治疗比低LET辐射单位剂量的细胞毒性更强(图1B)。

这使得下一代放射疗法成为对抗癌细胞的有力武器。然而，这些高LET诱导的损伤在哺乳动物细胞中是如何处理的还没有得到充分的研究，因为重离子轰击造成的DNA损伤在自然界中很少发生(例如，在外太空中发生的几率更高)。弄清楚复杂的DSB修复机制是一个有吸引力的研究兴趣，因为阻断癌细胞的修复机制可以使新的放射疗法变得更加有效。

为了进行研究，IBS团队访问了日本QST医院，使用了名为HIMAC(千叶重离子医疗加速器)的同步加速器，该同步加速器具有产生高LET辐射的能力。延世大学已经安装了类似的同步加速器，并计划于2027年在首尔大学医院安装另一个同步加速器。高田博士的研究团队打算在韩国利用这些同步加速器帮助建立一个基础研究项目，以改善癌症患者的重离子治疗。

高田博士的研究小组发现，DNA聚合酶θ (POLQ)在修复由重离子轰击引起的复杂DSB时是一个重要因素。POLQ是一种独特的DNA聚合酶，能够在碱基(AP)位点和胸腺嘧啶乙二醇(Tg)上进行微同源介导的末端连接以及翻译合成(TLS)。这种TLS活性被发现是允许复杂DSB修复的生物学重要因素。

联合第一作者之一SUNG Yubin女士解释说:“我们提供了POLQ的TLS活性在修复hiLET-DSB中起关键作用的证据。我们发现，POLQ可以有效地退火和扩展基板，模拟复杂的DSB”。

研究人员还发现，在癌细胞中阻止POLQ的表达大大增加了它们对新放射治疗的脆弱性。

另一位联合第一作者YI Geunil先生解释说:“我们证明了POLQ的遗传破坏会导致染色单体断裂增加，并在高LET辐射治疗后增强细胞敏感性。”

研究小组利用生化技术和荧光共振能量转移(FRET)发现，POLQ蛋白可以有效地修复模拟复杂DSB的合成DNA分子。这意味着POLQ可能成为一种新的药物靶点，以增加癌细胞对复杂辐射损伤的脆弱性。

该单分子FRET检测系统用于监测POLQ介导的退火和DNA延伸，是与UNIST的KIM Hajin教授和KIM Chanwoo先生合作开发的。IBS-CGI的RA Jae Sun女士分析了高LET辐射诱导的染色单体断裂。QST的FUJIMORI Akira教授和HIRAKAWA Hirokazu先生，以及科罗拉多州立大学的KATO Takamitsu教授帮助HIMAC进行了实验。

TAKATA教授指出:“我们很自豪地宣布，我们的论文的发表是通过每个人的伟大团队合作才得以实现的。我们的发现为hiLET-DSB在哺乳动物细胞中修复的机制提供了新的见解，并进一步表明抑制POLQ可能会增强重离子放射治疗的疗效。”

这项工作发表在2023年2月20日的《Nucleic Acids Research》上。

DNA polymerase θ-mediated repair of high LET radiation-induced complex DNA double-strand breaks