合成剂量致死法揭示 PLK1 过表达癌症的可靶向脆弱性，开辟癌症治疗新路径

本文通过合成剂量致死（SDL）方法，对 Polo 样激酶 1（PLK1）过表达的癌细胞进行研究。经多平台筛选，发现 IGF2BP2 是潜在治疗靶点。抑制 IGF2BP2 可影响 PLK1 表达及能量代谢，为 PLK1 过表达癌症治疗提供新思路。

　　

研究背景

肿瘤异质性是癌症治疗面临的巨大挑战，染色体不稳定性（CIN）是肿瘤遗传多样性的关键驱动力之一。Polo 样激酶 1（PLK1）在控制 CIN 中起核心作用，其组成型过表达会导致 CIN 和非整倍体，这是大多数癌症的显著特征。尽管 PLK1 在癌症发生发展中作用重要，但 PLK1 抑制剂的临床应用面临诸多挑战，如难以实现特异性抑制、存在脱靶效应等，因此需要新的治疗策略。

研究方法

1. 基因组范围的筛选：利用可诱导表达组成型活性 PLK1-S137D 突变体的 HCT116 细胞系（HCT116-PLK1），该细胞系常用于研究基因组不稳定性。用包含约 90,000 个短发夹 RNA（shRNA）序列的文库转导细胞，筛选出在 PLK1 过表达时导致细胞致死的基因敲低，共鉴定出 960 个 “PLK1-SDL” 命中基因。
2. 候选基因的优先排序和验证：采用多种策略对 PLK1-SDL 命中基因进行优先排序。结合癌症基因组图谱（TCGA）数据、已发表的必需性筛选结果以及患者预后数据，最终选择 105 个基因进行进一步验证。使用体内（in vivo）混合 CRISPR 和体外（in vitro）阵列 CRISPR 筛选，在 PLK1 过表达的乳腺癌患者来源的异种移植（PDX）模型中验证候选基因。
3. 单细胞水平的筛选：利用直接捕获 Perturb-seq 技术，在单细胞分辨率下评估候选基因对 PLK1 过表达细胞生存的影响。构建针对 65 个实验验证的 SDL 基因的 sgRNA 文库，转导 MCF7 乳腺癌细胞，通过测序和数据分析确定关键候选基因。

研究结果

1. 筛选结果及验证：基因组范围的 shRNA 筛选发现，PLK1-SDL 命中基因在细胞周期、有丝分裂和检查点相关途径、RNA 代谢和代谢途径等方面显著富集。通过与之前发表的有丝分裂相关筛选结果比较，以及药物反应数据分析，进一步验证了筛选结果的可靠性。体内和体外 CRISPR 筛选在 HCI-010 PDX 模型中验证了 65 个 PLK1-SDL 命中基因，其中 10 个在体内和体外实验中重叠。
2. 关键靶点的确定：通过 Perturb-seq 筛选，发现 IGF2BP2、CRB3、DPP9 和 TJP3 基因的敲除与 PLK1 过表达细胞的负选择或更高致死率相关。选择 IGF2BP2 作为最有前景的 SDL 候选基因，因其在多种筛选中均被鉴定出来。
3. IGF2BP2 的作用机制：IGF2BP2 是一种 N⁶- 甲基腺苷（m⁶A）阅读器，可结合 PLK1 mRNA 的 3′非翻译区的 m⁶A 修饰，稳定其表达。敲低 IGF2BP2 可显著降低 PLK1 mRNA 表达，且在多种肿瘤类型中，PLK1 和 IGF2BP2 的表达呈正相关。转录组分析显示，IGF2BP2 缺失导致与氧化磷酸化（OXPHOS）途径相关的基因下调。线粒体应激试验证实，IGF2BP2 缺陷细胞的代谢活性降低，基础和最大呼吸速率下降。
4. IGF2BP2 作为治疗靶点的评估：在多种细胞系和肿瘤模型中，敲低 IGF2BP2 对非恶性细胞影响较小，但显著抑制 PLK1 过表达的癌细胞生长、集落形成和肿瘤球生长。在体内实验中，沉默 IGF2BP2 可抑制 MDA-MB-231 肿瘤的生长，且在不同组织类型的 PDX 模型中，高 PLK1 和低 IGF2BP2 表达的模型肿瘤生长更慢。研究团队还评估了几种 IGF2BP2 的小分子抑制剂，其中化合物 C4 在抑制 PLK1 过表达癌细胞方面表现出较好的效果，且具有相对较好的药代动力学特性。

研究讨论

目前针对 PLK1 的靶向化合物在临床试验中存在诸多问题，如客观缓解率低、副作用大等。本研究通过系统的基因组范围筛选和多平台验证，确定了 IGF2BP2 是 PLK1 过表达癌症的潜在治疗靶点。抑制 IGF2BP2 可通过降低 PLK1 表达和破坏 OXPHOS，协同减少癌细胞产生 ATP 的能力，从而影响癌细胞的生存。尽管化合物 C4 在抑制 IGF2BP2 方面取得了一定效果，但仍需进一步优化其结构，以提高疗效、降低治疗剂量和减少潜在的脱靶效应。此外，研究还发现了其他与 PLK1 相关的潜在治疗靶点，如 CRB3、DPP9 和 TJP3，对它们的进一步研究可能为 PLK1 过表达癌症的治疗提供新的方向。

研究局限性

本研究虽在 PDX 模型和多种乳腺癌细胞系中验证了关键发现，但这些结果在所有 PLK1 驱动的癌症中的普适性仍需在更广泛的肿瘤类型中进一步测试。在药物研发方面，IGF2BP2 的小分子抑制剂 C4 虽然展现出有前景的抗肿瘤效果，但其相对较高的浓度需求和中等的药代动力学特性表明，在临床转化前需要进一步优化以提高效力和生物利用度，同时其对 IGF2BP2 相对于其他 RNA 结合蛋白的特异性也需进一步验证，以排除脱靶效应。