MTOR信号调节应激诱导的突变，促进癌症的适应性进化

    近日澳大利亚加文医学研究所金霍恩癌症中心David M. Thomas课题组发现，非遗传毒性药物选择下的应激诱导突变（stress-induced mutagenesis，SIM），自相矛盾地以竞争的内在适应性成本提高肿瘤细胞适应性，表明了传统的靶向癌症治疗与靶向DNA修复机制的药物相结合，可以降低肿瘤耐药性，可能是更有效的肿瘤治疗策略。相关论文“MTOR signaling orchestrates stress-induced mutagenesis, facilitating adaptive evolution in cancer.”于2020年9月份发表在《科学》杂志上。
技术路线：

一、靶向抗癌疗法的选择导致了遗传多样性

    为了了解暴露于非直接基因毒性疗法下人类癌细胞中DNA损伤积累的情况，作者把磷酸化组蛋白H2AX（γ-H2AX）作为DNA双链断裂（DNA-DSBs）的标记物，并对不同化疗和放疗组的初发癌患者的样本进行治疗前后的检测。结果显示，在前列腺癌患者经雄激素剥夺治疗后，乳腺癌患者经芳香化酶抑制剂来曲唑治疗后，黑色素瘤患者经BRAF抑制剂达布拉芬尼或维穆拉芬尼治疗后，胃肠道间质瘤患者使用KIT抑制剂伊马替尼治疗后，DNA损伤水平均出现明显增加（fig1. a）。在CDK4/6抑制剂palbociclib和表皮生长因子受体（EGFR）抑制剂erlotinib治疗的人源性异种移植（PDX）胰腺癌模型中DNA-DSBs亦出现增加，提示DNA损伤增加是非毒性治疗的人类肿瘤的复发特征。随后，作者将多种人肿瘤细胞系暴露于接近致死剂量的非毒性药物下，发现每100000个肿瘤细胞仍能产生1~20个耐药群落（fig1.b）。同时发现在药物处理早期所有研究模型均显示DNA-DSBs水平上升（fig1.c），但在随后的培养过程中DNA损伤水平逐渐回归到基线。
    随后，作者对94T778人脂肪肉瘤和SKMEL28人黑色素瘤细胞株经药物处理后形成的单细胞克隆群体进行了全基因组测序。结果显示，两个细胞系的抗性群体中单核苷酸变异（SNV）率均显著升高（fig1.e），而其加速进化的基因组与癌症治疗瓶颈期的基因组信息一致（fig1.d）。同时在药物处理早期，肿瘤细胞因SIM导致克隆形成能力出现明显下降（fig1.f）。
    综上所述，该研究在非直接基因毒性疗法早期，人类癌细胞中DNA损伤水平出现暂时性的升高，并且SIM会在一定程度上降低肿瘤细胞的增殖能力。
二、全基因组RNAi筛选鉴定MTOR为癌症中常见的进化电容器

    对94T778细胞系进行了全基因组功能筛选，最终发现MTOR在提高肿瘤细胞适应性中发挥重要作用（fig2.a-b）。
    MTOR信号通路在人类组织中表达广泛，是一种进化上保守的环境和内源性应激传感器。作者发现在无药物处理时，沉默MTOR 会降低肿瘤细胞的克隆能力；而在药物作用于肿瘤细胞时，MTOR的沉默反而会提高肿瘤细胞的克隆能力（fig2.c）。
    在胰腺癌PDX模型中亦证实，抑制MTOR会加速palbociclib耐药性的出现（fig2.d），且在肿瘤细胞进化早期MTOR及p-70-S6K磷酸化水平显著降低，而在适应后期恢复至基础水平。
三、抑制MTOR通过抑制准确的DNA修复来培养适应性突变

    对94T778亲本细胞系及MTOR沉默的单细胞克隆群进行了全基因组测序，发现MTOR沉默会抑制了同源重组（HR）信号通路的表达，并选择性抑制了高保真DNA多聚酶活性（fig3.a）。
    细胞系转录组数据库LINCS L1000显示，多种肿瘤细胞系在不同MTOR抑制剂处理下均出现细胞增殖能力的下降及DNA精确修复信号通路的抑制（fig3.b）。
    靶向HR基因的shRNA处理94T778、SKBR3和SKMEL28细胞，结果显示干扰HR后在无药物处理的情况下细胞克隆能力下降，在药物处理下细胞增殖能力却增值（fig3.c）。
    将palbociclib与rucaparib（聚腺苷二磷酸核糖聚合酶抑制剂）联用以治疗胰腺癌PDX模型，与单独使用任何一种药物相比，联合疗法增强了抗肿瘤作用（fig3.d）。

四、支持SIM在人类癌症中的保守机制

    MTOR介导的SIM通过抑制DNA的精确修复机制而减缓细胞增殖并提高基因组不稳定性，从而增强遗传多样性并促进肿瘤细胞的耐药性（fig4.a）。
    因此耐药可能是两个独立但相关机制的复合结果，而不是一个简单的过程。最初MTOR介导的SIM增加了肿瘤细胞的遗传多样性，在药物、辐照等选择下，一些含有抗性基因的细胞得以生存，随后细胞内通过SIM的标准化和稳定抗性基因组结构的建立而形成了对新环境的适应性（fig4.b）。