合成致死黃金賽道：PARP

近年來，合成致死是腫瘤靶向治療領域的熱點之一。PARP抑制劑是首 個基于合成致死概念取得成功的藥物。所謂合成致死，是指兩個非致死性基因同時被抑制，導致細胞死亡的現象。研究表明，多聚ADP核糖聚合酶PARP是存在于多數真核細胞中的一個多功能蛋白質翻譯后修飾酶，它在各種細胞功能中起著至關重要的作用。

PARP的抑制作用對腫瘤細胞具有顯著的致死性，目前，PARP成為發現新型抗腫瘤藥物的重要靶點。因此，研究人員一直致力于開發新型和有效的PARP抑制劑用于癌癥治療。此外，聯合抑制PARP和具有協同作用的靶點可能為提高當前抗癌方案的有效性提供一種合理的策略。同時，基于PARP抑制劑的PROTAC也為克服PARP耐藥問題提供了新的研究思路。

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【資料圖】

PARP家族成員及其功能

根據PARP結構和功能的不同，可分為四個類型:（圖1）

1、依賴DNA的PARP酶，即PARP-1、PARP-2和PARP-3 (Vault-PARP)

2、端錨聚合酶，即PARP5A和PARP-5B

3、含有Trp-Trp-Glu PARP結合域和含有cys - cys - his鋅指的PARP酶，即PARP-7、PARP-12、PARP-13.1和PARP13.2

4、Macro PARP，即PARP-9, PARP14和PARP-15

其中，PARP1是PARP家族中最主要的成員，其在細胞中承擔著PARP家族90 %以上的功能，是DNA損傷修復中的關鍵作用因子。

圖1.PARP家族及其生物學功能

1.1PARP-1

PARP-1由以下三個結構域組成:一個自動修飾結構域，一個DNA結合結構域(DBD)和一個催化結構域。PARP-1被研究得最充分的功能之一是與DNA修復有關。當一些DNA修復基因，如BRCA1和BRCA2失去功能時，PARP-1抑制可能是致命的。這些DNA修復基因在各種癌癥中經常發生突變。因此，PARP-1抑制劑可以有效地選擇性靶向具有DNA修復途徑缺陷的惡性細胞。此外，PARP-1還在其他核生理過程中發揮作用。例如染色質的調節，核交通，核糖體生物發生和表觀遺傳。除上述功能外，它還參與轉錄調節。

1.2 PARP-2

PARP-2具有與PARP-1相似的功能區域，包括DNA結合域、E域和F域(催化域)。DBD包含一個核定位信號，負責DNA結合。結構域 E作為一個自動修飾域、一個蛋白-蛋白相互作用域和一個同型二聚化界面。PARP-2的自聚(adp -核糖化)發生在賴氨酸36和37以及結構域E上，它們是同時乙酰化的目標底物。此外，PARP-2被發現與許多蛋白質相互作用。這些蛋白質參與多種功能，如DNA修復、DNA復制、轉錄、細胞周期、細胞死亡、能量穩態、代謝和RNA代謝等。

1.3 PARP-3

最近的研究表明，PARP-3可以催化多種蛋白質的翻譯后修飾，參與轉錄調節、能量代謝和細胞死亡等生物過程。PARP-3已被發現與參與轉錄沉默的多梳蛋白有關。此外，它還與DNA修復網絡有關，包括非同源末端連接和堿基切除修復/單鏈斷裂修復，這表明PARP3參與了基因組完整性的維護。此外，PARP-3通過調節和關聯有絲分裂組分Tankyrase 1和NuMA，被認為是端粒完整性和有絲分裂紡錘體穩定的關鍵角色。這些功能為PARP-3靶向治療癌癥帶來了廣闊的前景。

1.4 PARP-5A and PARP-5B

PARP- 5a(也稱為Tankyrase 1)由一個氨基端結構域、一個錨蛋白結構域、一個羧基端PARP催化結構域和一個SAM結構域組成。PARP-5B(也稱為Tankyrase 2和ARTD6)與PARP-5A相關，但缺乏N端HPS結構域。PARP-5B的錨蛋白結構域與PARP-5A的同源性為83%，SAM結構域與PARP-5A的同源性為74%。C端PARP域是高度保守的。錨蛋白結構域與蛋白質-蛋白質相互作用有關。

PARP-5A和PARP-5B的SAM結構域與自寡聚有關，而HPS域的功能目前未知。PARP-5A和PARP-5B可以催化底物蛋白的聚adp -核糖化，這與PARP-1的酶活性相似。根據先前的報道， PARP-5A在代謝穩態、端粒維持和細胞周期調節中發揮作用，并通過調節Wnt/b-catenin信號通路促進腫瘤發展。此外，它在一些癌癥中表達異常，如星形細胞瘤。PARP-5B對代謝穩態和端粒維持很重要，可以調節膠質瘤干細胞中的Wnt/b-catenin信號通路。

1.5 其他PARP家族成員

除上述PARP家族成員外，其他成員也在細胞穩態和腫瘤進展中發揮重要作用。PARP-6參與細胞凋亡和增殖的調控。PARP-7被發現是芳基烴受體調節劑; PARP-8與皮膚、頭發和指甲異常有關。雖然PARP-9具有羧基末端氨基酸序列，但它缺乏PARP活性。它可能促進許多實體腫瘤(如前列腺腫瘤)的復發、轉移和化療耐藥。此外，PARP-9在膠質瘤中異常過表達，并參與各種腫瘤促進免疫和炎癥反應。

PARP-10參與細胞周期調控、細胞增殖和凋亡調控以及基因組完整性的維持。PARP-11可以調節I型干擾素信號，被證實為特發性哺乳動物畸形精子癥的潛在相關因素。PARP-12可以被認為是細胞應激反應的關鍵中樞。PARP-13是眾所周知的RNAbinding蛋白。此外，PARP-13對腫瘤的發展和惡性轉化具有保護作用。PARP-14可促進多種癌癥(如肝細胞癌)的Warburg效應，并可調節多種惡性腫瘤中jnk2依賴的促生存信號。

PARP-15是腫瘤發展的候選基因，據報道它與細胞凋亡有關，并且由于其調節基因轉錄的能力。PARP-16是一種尾部錨定的內質網跨膜蛋白，其酶活性在內質網應激時上調。

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PARP在細胞中的作用

研究表明，聚(adp -核糖)聚合酶(PARPs)的核酶可以催化PARylation的過程，通過將adp核糖殘基從煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)轉移到目標底物上。NAD可以快速識別各種DNA損傷，然后聚集到損傷部位。隨后，DNA損傷反應分子被誘導被招募，然后PARP-1, PARP-2, PARP-3, PARP-5A, PARP-5B等PARP在人體內進行聚(adp -核糖)(PAR)合成。

此外，PARPs在其他細胞應激反應的調節中發揮著重要作用，這些反應與蛋白質和RNA的質量控制有關，特別是未折疊蛋白的反應和細胞質應激。一些PARPs還能調節獲得性免疫，激活免疫細胞。此外，PARPs通過調節各種細胞生理過程，如細胞分裂、細胞信號轉導和細胞運動，在一般、非防御和非應激途徑中發揮額外的作用（圖2）。PARPs參與多種細胞過程，因此已成為開發新型抗腫瘤藥物的重要靶點。

圖2.PARP在細胞中的作用

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PARP抑制劑研究現狀

目前，全球共有6款PARP抑制劑獲批上市，獲批適應癥包括輸卵管癌、乳腺癌、卵巢癌等（圖3）。其中，奧拉帕利是首 款獲得FDA批準上市的PARP抑制劑。然而，盡管PARP靶向藥物對不同類型的惡性腫瘤都有一定的臨床療效，但在臨床使用中，PARP靶向藥物的耐藥性和不良反應是一個新出現的問題。

圖3.已上市的PARP抑制劑

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基于PARP抑制劑的PROTAC降解劑

靶向蛋白水解嵌合體(PROTAC)分子是一種含兩個配體和一個連接體的雜雙功能分子。兩種配體可特異性結合E3泛素連接酶和靶蛋白。這些分子能夠將目標蛋白驅動到E3泛素連接酶，然后形成三元復合物，導致目標蛋白泛素化，進而誘導蛋白酶介導降解（圖4）。

近年來，PROTACs策略已被廣泛用于誘導ALK、BET和CDK9.181?184等靶蛋白的降解，與傳統抑制劑相比，PROTACs具有幾個優點。例如，它們不需要位于目標蛋白質的活性位點就能起作用。此外，PROTAC在克服耐藥性以及不可成藥靶點方面具有巨大優勢。更重要的是，它們在較低劑量下就能發揮作用，從而為開發強效抗腫瘤藥物提供了極好的機會。

圖4. PROTAC作用機制

4.1 基于PARP單靶點PROTAC

目前，已成功報道了幾種PARP-1降解劑（圖5），可有效降解各種耐藥腫瘤細胞中的PARP-1，這為改善PARP-1過度激活引起的病理狀況提供了一種有前景的方法。

圖5.靶向PARP的單靶點PROTAC

4.2 基于PARP的雙靶點PROTAC

受到雙靶向藥物特別是雙特異性抗體研制的重大突破的啟發，華中科技大學李華課題組基于EGFR抑制劑吉非替尼和PARP抑制劑奧拉帕利為靶頭化合物，合成不同鏈接長度和不同E3連接酶（CRBN-和VHL-）招募的EGFR和PARP蛋白雙重靶向降解嵌合分子（Dual PROTACs），在細胞水平成功地同時降解癌細胞內的EGFR和PARP蛋白（圖6）。

值得注意的是，這是Dual PROTACs第一個成功的例子，極大地拓展了PROTAC技術的應用，為PROTAC領域的研究提供了新思路。當然，Dual PROTACs存在分子量增大而導致透膜性差和藥代動力學性質不佳等問題。要解決這些問題可能有兩個策略，一個方向是采用載藥系統進行遞送以改善藥物的吸收，另一個方向就是簡化PROTAC結構，以縮小分子量。

圖6. PARP和EGFR的雙靶點PROTAC

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小結

自100多年前提出合成致死概念以來，這一假說已被深入研究。PARP抑制劑是一個基于合成致死概念在臨床上取得成功的藥物。作為合成致死的典型代表，PARP近年來飛速發展。目前，已經有6款PARP抑制劑上市，但耐藥問題接踵而至。

然而，PARP雙靶點抑制劑以及PARP降解劑的成功開發，為克服PARP抑制劑耐藥問題提供了新思路。此外，PARP抑制劑與其他抗腫瘤藥物聯用也表現出出色的治療效果。我們相信，未來的PARP抑制劑一定會大放異彩，造福四方！