恶性肿瘤获得性耐药的遗传机制通常发生在耐药驱动基因的局部扩增。局部基因扩增可以调控肿瘤细胞，以适应治疗的选择压力。当前，关于扭转耐药性进化后果的研究工作主要集中在获得性耐药的脆弱性上。相比之下，对于其机制（例如基因组不稳定通路）却知之甚少。

BRAF抑制剂（BRAFi）通过靶向MAPK通路来治疗BRAFVV600MUT转移性皮肤黑素瘤，但该疗法可迅速导致获得性耐药。此外，在皮肤黑色素瘤患者中，色素沉着似乎是癌症快速产生和高度积累动态结构变异（SV）的关键进化机制。SV相关扩增子可被鉴定为染色体内复杂基因组重排（CGR）和染色体外DNA（ecDNA）。已有研究确定了ecDNA在肿瘤患者预后中的重要性，以及ecDNA在癌细胞系中治疗耐药性的潜在相关性。癌细胞可以产生并保留这些ecDNA的拷贝，这些拷贝能够扩增驱动治疗耐药性的关键基因；ecDNA还可以重新整合回染色体，成为基因扩增的稳定来源。

近日，来自加利福尼亚大学等单位的研究团队在Cancer Discovery发表了题为“Blocking Genomic Instability Prevents Acquired Resistance to MAPK Inhibitor Therapy in Melanoma”的文章。研究团队通过对三个肿瘤队列患者以及相匹配的正常组织进行全基因组分析 （WGS），发现患者和患者来源的异种移植（PDXs）进行MAPK抑制剂（MAPKi）治疗后，转移性皮肤黑色素瘤的获得性耐药基因组通过CGR和ecDNA特异性地扩增耐药驱动、非同源端连接（NHEJ）和同源重组修复（HRR）相关基因。此外，无论敏感性或耐药性如何，NHEJ对CGR和ecDNA形成的双链DNA断裂修复至关重要，靶向NHEJ的DNA-PKCS抑制剂可以通过早期联合治疗，减少CGR和ecDNA来预防或延迟获得的MAPKi耐药。因此，靶向引起基因组不稳定的原因可以防止获得性耐药性。

文章发表在Cancer Discovery

主要研究内容

01

ecDNA和CGR在MAPKi获得性耐药和敏感黑素瘤中的作用

利用WGS数据，研究团队在58例BRAFVV600MUT和NRASMUT MAPKi敏感和获得性耐药肿瘤中重建了ecDNA和CGR衍生的高拷贝数扩增子。研究检测到ecDNA和CGR的高复发率：敏感基因组为70%和获得性耐药基因组为77%。结合所有三个队列，获得性耐药（相对于敏感）基因组中有更多的ecDNA和CGR。在临床队列的患者匹配分析中，15个配对分析中有12个显示获得性耐药基因组的ecDNA-和CGR-扩增子数量较高。总的来说，chr7p（53个基因组中的26个）和chr7q（53个基因组中的23个）是CGR-和ecDNA-扩增子形成的热点。

图1. 黑色素瘤患者MAPKi敏感和获得性耐药ecDNA和CGR的分布，来源：Cancer Discovery

02

CGR-和ecDNA-扩增子驱动MAPKi抗性

对染色体内CGR和ecDNA扩增子的分析发现，获得性耐药肿瘤与含有真正MAPKi耐药驱动基因的CGR/ecDNA之间存在显著关联。BRAF、NRAS、HRAS、MYC和EGFR扩增后可驱动获得性MAPKi耐药和MAPK通路再激活。此外研究团队通过直接分离和高深度测序验证了一个复发的ecDNA，并使用DNA-FISH交叉验证BRAF和NRAS扩增子的耐药特异性存在。

非同源末端连接（NHEJ）和同源重组修复（HRR）被认为是染色体破碎后产生CGR和ecDNA的关键。有趣的是，研究人员观察到XRCC2和XRCC6在获得性MAPKi抗性黑色素瘤中作为ecDNA被特异性扩增，XRCC2和XRCC6是HRR和NHEJ的关键基因。

由ecDNA或CGR扩增的其他耐药特异性基因也可能在功能上有助于耐药表型。因此，研究人员在ecDNA或CGR扩增子中鉴定了与敏感性和耐药性相关的基因。有趣的是，ecDNA或CGRs特异性扩增的耐药基因数量远远超过敏感肿瘤特异性扩增的基因数量，这表明ecDNA或CGR基因扩增有助于MAPKi治疗中的疾病进展。此外，在敏感+耐药肿瘤中，ecDNA或CGR扩增的基因均占非常小的比例，这也与ecDNA基因扩增和CGR基因扩增有助于疾病进展的观点一致。

图2. ecDNA和CGR在获得性MAPKi抗性中扩增基因，来源：Cancer Discovery

03

DNA-PKi或PARPi预防黑色素瘤细胞获得性MAPKi耐药

DNA依赖的蛋白激酶催化亚基（DNA-PKCS）和PARP1/2参与多种DSB修复途径，特别是NHEJ和HRR。因此，研究团队测试了特异性的活性DNA-PKCS抑制剂（DNA-PKi）NU7026和PARP1/2抑制剂（PARPi）ABT888单独和联合使用在预防人BRAFVV600MUT的耐药增殖中的作用。结果发现，与MAPKi联合使用，NU7026在所有测试的亲本细胞系中协同和剂量依赖地阻止了顽固性耐药增殖（Drug tolerant proliferating persisters, DTPPs）的形成，ABT888在6个亲本细胞系中的3个中显示出活性。

图3. DNA-PKi或PARPi联合治疗可预防获得性MAPKi耐药，来源：Cancer Discovery

04

DNA-PKi可抑制体内抗性的产生

鉴于DNA-PKi具有更广泛的耐药预防活性，研究人员测试了NU7026在皮肤黑色素瘤PDXs中的体内疗效。结果发现，BRAFi联合MEKi仅能抑制肿瘤生长，DNA-PKi治疗与载体治疗相比，对肿瘤生长没有明显影响。相比之下，BRAFi+MEKi+DNA-PKi的三重组合显著地阻止了获得性耐药，并且没有引起明显的毒性迹象或体重显著降低。不过，DNA-PKi联合治疗在体内已经获得MAPKi耐药的肿瘤上没有引起明显的肿瘤消退。

图4. DNA-PKi与MAPKi联合处理可防止体内获得性耐药，来源：Cancer Discovery

结 语

该研究提供了对晚期黑色素瘤中预先存在和治疗引发克隆多样化的潜在基因组不稳定过程的深刻见解。CGR可以通过ecDNA的重新整合或断裂产生。更重要的是，证明了ecDNA和CGRs驱动获得性MAPKi耐药，并提出了多种耐药机制。因此，未来有望以ecDNA和CGRs为靶向治疗的方向，解剖相关的混合基因组-表观基因组模型。

文章通讯作者Roger S. Lo教授表示：“我们正在采取一种新的方法来对抗‘获得性治疗耐药性’，即癌症通过分子进化来逃避靶向治疗的能力。大量研究集中在复发癌症的治疗上，寻求在肿瘤细胞变得更加复杂和强大之后进行干预。我们认为，预防，而不是试图在癌症变得更具攻击性后逆转耐药性，可能会提高患者的生存几率。我们希望通过阻断黑色素瘤产生遗传多样性的途径，防止癌症逃避靶向治疗。”

参考文献：

1. Prashanthi Dharanipragada et al, Blocking genomic instability prevents acquired resistance to MAPK inhibitor therapy in melanoma, Cancer Discovery (2023). https://doi.org/10.1158/2159-8290.CD-22-0787

2. Hong A, et al. Durable Suppression of Acquired MEK Inhibitor Resistance in Cancer by Sequestering MEK from ERK and Promoting Antitumor T-cell Immunity. Cancer Discov (2021).

3. Cortes-Ciriano I, et al. Comprehensive analysis of chromothripsis in 2,658 human cancers using whole-genome sequencing. Nat Genet (2020).