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利用CRISPR/Cas9鉴定出调节抗体-药物偶联物毒性作用的基因

化学疗法起作用的基本前提是杀死所有快速生长的细胞,以消灭肿瘤细胞。这种策略虽然通常是有效的,却会造成相当多的脱靶伤亡,比如,它会杀死产生毛发的细胞和位于胃部内壁的细胞。科学家们试图通过制造类似导弹的药物来解决这个问题,这些药物特异性地攻击癌细胞而不会伤害健康细胞。

美国斯坦福大学医学院遗传学研究生Kimberly Tsui表示,这些类似导弹的药物称为抗体-药物偶联物(antibody-drug conjugates, ADC),已开展了数十年的研究,但是仅在近年来,它们才进入临床试验。

这些进展至少部分上是由于对ADC的工作原理有了更好的理解:在每个细胞的表面上都有突出来的蛋白---这些蛋白中的一些仅在癌细胞上发现,这就使得它们成为定制药物递送的完美靶标。ADC含有可以识别并攻击这些癌症特异性蛋白的穿梭分子,从而运送能够让细胞失去功能的药物。

Tsui说,“ADC在临床上显示出很多潜力,但是我们对它们实际上如何发挥作用并不了解太多。我们并不太了解ADC如何被摄入到细胞中,或者药物是如何被运送到不同的区室中以便最终杀死细胞。”

如今,在一项新的研究中,Tsui、斯坦福大学医学院遗传学助理教授Michael Bassik博士和一组研究人员正在利用基因编辑技术来更好地了解ADC如何对癌细胞给予致命打击。相关研究结果近期发表在Nature Chemical Biology期刊上,论文标题为“CRISPR-Cas9 screens identify regulators of antibody–drug conjugate toxicity”。Tsui是论文第一作者。这项研究是与斯坦福大学ChEM-H主任Carolyn Bertozzi博士合作完成的。

Bassik和Tsui使用基因编辑技术CRISPR/Cas9来确定哪些基因可以帮助ADC进入癌细胞。Tsui说,“通过我们的CRISPR筛查系统,我们可以一次关闭一个基因,从而找出哪些基因对ADC的毒性作用很重要。”通过使用这种方法,他们试图了解哪些基因有助于加强ADC的毒性作用,或者抑制ADC的毒性作用。

这个想法是为了更好地理解ADC如何与肿瘤细胞相互作用并利用这些信息让ADC具有更强的毒性作用。

Tsui说,“总的来说,这项研究从基础生物学开始,了解可能影响ADC毒性作用的基因。”比如,如果特定基因被“敲除”或无法发挥功能,而且ADC停止对癌细胞产生毒性作用,那么这就表明这个基因是ADC在癌细胞中发挥作用所必需的。她说,“这甚至可能对潜在的ADC抗性机制产生重要影响。”

为了杀死细胞,ADC必须接受多次考核,其中的大多数考核都是由特定的基因控制着的。但并不是所有的ADC都是通过相同机制进入细胞并造成损伤,这使得了解ADC在肿瘤细胞破坏方面的变化变得更加重要。

人们通常认为所有ADC在造成破坏之前都必须被切割或“消化”。一般的理解是任何一种ADC与肿瘤细胞表面结合,并通过内体(endosome)进入肿瘤细胞。内体随后将药物引导到细胞的一个称为溶酶体的新区室。在那里,ADC被分解,药物就与作为穿梭分子的抗体分离开来。药物随后被转移到细胞质中的另一个新位置,并最终造成损伤。

然而,究竟是什么基因支撑这一系列步骤并不完全清楚。这就是Bassik和Tsui希望他们的筛选方法发挥作用的地方。事实上,他们的实验揭示了一些以前未知的对药物运送至关重要的基因。特别地,他们发现参与内体介导运送第一阶段的新基因对两种ADC的成功至关重要。

Bassik和Tsui也发现有证据表明并非所有的ADC都通过溶酶体消化。Bassik说,“不过,这种筛选方法揭示出的基因提示着ADC消化过程发生的时间要早得多,很可能在ADC进入溶酶体之前就已发生。鉴于ADC能够以不同的方式进行代谢,我们认为这些针对它们的作用机制的新见解对未来的ADC设计和开发至关重要。”