合成致死（synthetic lethality，SL）是指两个非致死性基因同时失活从而导致细胞死亡的现象。合成致死的概念是从模式生物的遗传研究中发现和提出的，例如果蝇和酵母。20世纪初期，美国遗传学家首次描述合成致死，他描述杂交黑腹果蝇中一些非等位基因中的基因组合同时突变是致命的。

Synthetic在古希腊语中的意思是两个实体形式组合成一个新的东西，因此合成致死可以定义为当A基因和B基因当中任何一个基因发生突变还有生存能力，但是当两个基因同时发生突变就会引起死亡。合成致死也被定义为一类两个遗传事件共同发生，导致有机体或者细胞死亡的遗传作用。

尽管在功能性缺失突变体最为人熟知，其他类型的组合也可以导致合成致死，其他类型的组合也可以导致合成致死，包括基因的高表达、化合物作用或环境因素等。合成致死这一概念可以延伸到合成致病（SS）以及合成剂量致死（SDL）。SS是指基因A和基因B同时突变对细胞存活有一定影响；SDL是指基因B过度表达或过度激活导致细胞对基因A的依赖性，即尽管正是细胞可以耐受基因A的低表达，但在过度表达基因B的肿瘤细胞中，基因A的低表达是致命的。

癌症是一大类恶性肿瘤的统称，是复杂的多基因突变疾病。肿瘤的发生是体细胞基因信息在结构或功能上变异累积的结果，是一个多步骤、多基因突变发生的过程。癌基因的激活和抑癌基因的失活，使得细胞逐步演化获得了一些共同特性，如自给自足的生长信号、抗生长信号不敏感、抵抗细胞死亡能力、无限整殖能力、持续的血管生成、细胞能量异常、组织浸润和转移、基因组不稳定和突变、促进癌症的炎症能力、免疫逃逸能力等。

研究发现，癌细胞在基因水平上存在成千上万的分子突变。但实际上只有少数突变（理论上不超过10个）可能是肿瘤形成所必需的，这些突变被称为驱动突变，而其他突变则称为过客突变。驱动突变可以定义为增加肿瘤细胞的适应性（增殖潜能），是导致癌症发生发展的关键突变。常见的驱动突变形式包括点突变、短片段插入或缺失突变，基因重排、扩增或缺失。驱动突变也可以根据基因突变在编码蛋白质的功能性作用进行分类，即产生功能获得性突变的“致癌基因”和产生功能缺失的“抑癌基因”突变，这两种类型的突变共同驱动癌症的发生和发展。

靶向驱动突变已成功应用于治疗人类的各种癌症。然而，在许多驱动驱动突变中，有些突变不能直接由小分子或抗体靶向，如基因突变或缺失引起肿瘤抑制基因的功能缺失无法通过小分子抑制剂及RNA恢复基因原有功能。从药物发现的角度来看，功能缺失突变是很难解决的，如与张力蛋白同源在10号染色体有缺失的磷酸酶基因（PTEN），有些癌基因同样难以靶向，如MYC，TP53及RAS等。

癌症在其发生、发展和恶化过程中，积累了大量不能靶向的驱动突变，我们可以用药物精准抑制这些突变的合成致死搭档，从而特异性地杀死癌细胞，不危害健康细胞。因此，对不能靶向的驱动突变，采用合成致死原理是一个理想的癌症治疗策略。

一、合成致死在抗癌治疗中的作用

不同的肿瘤类型可能具有不同的DNA修复途径，这是转化的缺陷，每种肿瘤类型都需要在分子水平上进行定义，这可以更好地界定使用合成致死方法在各种肿瘤类型中靶向哪些途径，扩大了该方法在药物开发中的适用性。以类似的方式，一旦为所有肿瘤类型定义了这样的途径，它们可以用作这些药物反应的生物标志物。

肿瘤的发生可能存在多个基因发生突变，其他信号通路的激活可能导致肿瘤对靶向治疗药物的耐药性，当合成致死药物和其他已知化疗药物联用，可以提高抗癌药物的功效，可能从根本上改变癌症的治疗方式。由此可见，合成致死不仅可以用于癌症的治疗，有利于克服抗癌药物耐药性问题，还可以作为此类抗癌药物反应的生物标志物，是现代肿瘤治疗中的最重要进展之一。合成致死的概念在抗癌药物发现中具有巨大的潜力，其最重要的特点在于可以选择性杀死肿瘤细胞并实现个性化的抗癌疗法。

目前，只有一种基于合成致死原理的药物获批在临床上使用，即PARP抑制剂治疗BRCA突变的肿瘤细胞，还有很多合成致死药物处于试验阶段，这些试验大多数基于药物与药物之间的合成致死关系。虽然“合成致死”一词已普遍使用，但Synthetic lethality仅仅指的是两种基因变异所产生的复合效果，或许还可以理解为“复合致死”，即两种或两种以上基因变异所产生的复合效果，基于这种概念开发的抗癌药物也许会使癌症治疗取得突破性进展。

 

二、合成致死的抗癌机制

从本质上讲，癌症是一种基因病。当细胞内的基因突变积累到一定程度后，细胞要么走向衰老死亡，要么发展成癌变。在细胞内积累的这些突变在赋予癌细胞不死和无限增殖能力的同时，也给癌细胞埋下了精准制导炸弹——合成致死，一旦触发这个精准制导炸弹，某两个特定的基因就会同时突变失活，导致癌细胞死亡。

（一）DNA损伤与修复

细胞从正常走向癌变，一部分是遗传因素的影响，大部分是环境等因素的影响。在细胞生长过程中，细胞中的DNA会不断遭受内在的和环境的各种不利影响，如辐射、化学毒物、生物毒物、细胞自身有害代谢产物、DNA复制错误等，导致癌症相关基因发生突变，最终导致癌症。

人体每个细胞每天发生的各种DNA损伤总计约10万个，其中单链DNA损伤数约1万个。但大部分损伤能被人体精密、复杂而高效的DNA修复系统所修复。

细胞在正常代谢过程中因各种内、外因素如内源性活性氧等均可能导致DNA损伤，若细胞累积的DNA损伤得不到正确修复，则可能引起基因突变、癌基因激活、抑癌基因失活及染色体不稳定等，并引发细胞衰老、凋亡、代谢等调控异常，最终可能导致包括肿瘤在内的各种疾病。DNA保护机制使基因组免受环境因素或DNA代谢过程中自发产生的损伤破坏，这个过程主要包括DNA单链和双链断裂损伤修复。DNA单链断裂通过错配修复、碱基切除修复和核苷酸切除修复途径进行修复。DNA双链断裂通过非同源末端连接或同源重组修复途径进行修复。

1、DNA断裂

在DNA损伤中，最严重的损伤是单链断裂和双链断裂，其中以单链断裂更常见。如果这些断裂的DNA不能得到及时、准确的修复，会使基因组表变得不稳定，进而引起癌变，甚至直接导致细胞死亡。

2、DNA单链断裂修复

DNA单链断裂修复主要依赖于聚腺苷二磷酸核糖聚合酶（PARP）。PARP是一种DNA修复酶，是细胞凋亡核心成员半胱天冬酶的切割底物，在DNA损伤修复及细胞凋亡中发挥着重要作用。

PARP是存在于多数真核细胞中的一个多功能蛋白质翻译后修饰酶。它通过识别结构损伤的DNA片段而被激活，被认为是DNA损伤的感受器。它还能对许多核蛋白进行聚腺苷二磷酸核糖基化。受它修饰的蛋白质有组蛋白、RNA聚合酶、DNA聚合酶、DNA连接酶等，并通过组蛋白的ADP-核糖基化使组蛋白脱离下来，有助于修复蛋白的结合而进行DNA的损伤修复。同时，PARP又是细胞凋亡核心成员胱天蛋白酶的切割底物。因此，它在DNA损伤修复与细胞凋亡中发挥着重要作用。

人体中的PARP家族有17个成员，具有各自不同的功能。目前的研究认为，DNA损伤修复依赖的主要是PARP-1和PARP-2，它们都能精准地识别DNA的损伤，并对损伤进行修复，其中PARP-1发挥了90%以上的DNA损伤修复功能。

3、DNA双链断裂修复

在DNA损伤中，发生双链断裂的现象虽然较少，但情况更严重，如果不能及时修复，细胞的DNA就会变得非常不稳定，细胞最终走向死亡，是细胞遭受的在生物学上最严重的损伤。DNA损伤激活细胞内DNA损伤应答（DDR），产生细胞凋亡、细胞周期阻滞以及DNA损伤修复等一系列生物学效应。

DNA双链断裂的修复主要有两种方式，一种是非同源末端连接（NHEJ）修复，另一种是同源重组（HR）修复。

（1）非同源末端连接修复

非同源末端连接（NHEJ）是真核生物细胞在不依赖DNA同源性的情况下，而为了避免DNA或染色体断裂的滞留，避免因此造成的DNA降解或对生命力的影响，强行将两个DNA断端彼此连接在一起的一种特殊的DNA双链断裂修复机制。

理论上非同源末端连接可以被应用于细胞周期的各个时期，而对处于G1时期的细胞而言，在细胞修复中占较大比例。同时，它又是与同源重组并重和相互补充的一种DNA双链断裂的修复手段。与DNA双链断裂的同源重组修复机制相比，NHEJ不需要重组断端之间的具有严格的DNA之间的同源性，不是一种忠实的DNA双链断裂修复方式。在反应过程中首先需要把两个DNA断端相邻区域进行“基因沉默”（基因沉寂）处理（ 需要组蛋白N端尾部结构域9位赖氨酸残基的甲基化以及和Sir2/3/4等蛋白形成异染色质）以避免出现在断端处的基因转录等，然后也需要DNA末端识别和结合蛋白Ku70、Ku86等蛋白质的保护作用，以及包括Mre-11/Rad50-Nbs1（人类细胞）或Srs2（酵母细胞）等具DNA酶活性的蛋白复合体对涉及到结合有蛋白质的DNA断端进行的加工处理等。DNA酶的加工主要是去除与DNA断端共价连接的蛋白质或因为离子辐射等造成的损害的核苷酸残基，并最终制造出彼此具有“粘性”的末端，然后通过DNA连接酶ERCCIV把两者彼此连接。NHEJ的作用机制决定了它不是一种忠实的DNA双链断裂修复手段。除引发彼此毫不相干的DNA断端的连接，导致包括移位（移位） 等在内的染色体之间的重排改变之外，就是对本来彼此连接的DNA断端的处理也会造成少数核苷酸残基的缺失突变。这是由其使用Mre-11/Rad50-Nbs1（人类细胞）或Srs2（酵母细胞）等DNA酶处理欲彼此连接的DNA断端这一方法决定的。NHEJ在修复DNA双链断裂的同时也会造成许多人类健康问题。

非同源末端连接修复更像个鲁莽的庸医，它不管连接是否正确，先把断裂的DNA连上再说。这种修复方式最大的特点是快，但非常容易出错，一旦连接错误，可能会使细胞遭受毁灭性打击。

（2）同源重组修复

同源重组修复作为核心的DNA损伤修复方式之一，它主要发生在细胞周期的S和G2期，是维持基因组完整性确保遗传信息高保真传递的一种DNA修复机制。同源重组修复（HRR）和PARP是DNA损伤修复的两种重要机制，其中HRR参与DNA双链损伤修复，PARP负责DNA单链损伤修复。

许多蛋白参与同源重组修复，如乳腺癌蛋白（BRCA）、共济失调毛细血管扩张基因突变蛋白（ATM）、RAD51蛋白等，其中最常见的是BRCA蛋白。HRR是一条涉及到多个步骤的复杂的信号通路，其中关键蛋白为BRCA1和BRCA2。如果BRCA基因出现突变导致BRCA1和BRCA2蛋白失去功能，就会引起HRR功能异常（HRD）。另外，其它HRR相关基因，如 PALB2、CDK12、RAD51、CHEK2、ATM等发生突变或BRCA1基因启动子发生甲基化以及其他暂未明确的原因，都会引起HRD，导致基因组不稳定。肿瘤细胞往往会利用HRR使细胞免于凋亡，而当肿瘤细胞出现HRD，同时PARP被抑制时，就会产生“合成致死”效应，存在HRD的肿瘤对PARP抑制剂更敏感。大约有53.5%的卵巢癌患者存在同源重组修复缺陷（HRD）。除了乳腺癌和卵巢癌外，HRD还存在于前列腺癌、胰腺癌、肝癌等多个癌种中。

同源重组修复就像精准外科手术，能对DNA双链断裂损伤进行精准、无差错、高保真修复。在癌细胞中，同源重组修复没有发挥作用，但同源重组修复的功能仍然得到保留，以维持癌细胞自身基因组的稳定性。这就给我们以DNA修复为靶点，启动合成致死机制摧毁癌细胞提供了可乘之机。2005年，两个独立研究团队背靠背在自然杂志发表重要研究成果，首次证实PARP抑制剂与BRCA1或BRCA2突变之间存在“合成致死”的相互作用。至此，合成致死治疗癌症的大门打开了。

另外，有研究发现，端锚聚合酶在癌细胞端粒结构的调控机制中有重要作用。端锚聚合酶具有自我催化的功能，有可能作为细胞内有效地检测端粒结构变化的分子感受器而起作用，其催化活性被激活后修饰受体蛋白，进而引发一系列的级联反应。同PARP一样，端锚聚合酶很可能也是一个多受体的蛋白质，启动细胞内对端粒结构变化作出反应的信号转导机制，使端粒酶能顺利地将端粒重复片段加到染色体的末端，从而维持癌变细胞端粒结构的稳定。研究发现，除端锚聚合酶与端粒重复序列结合因子1（TRF1）结合外，核蛋白2（TIN2）也同TRF1结合。TIN2是结合TRF1的一个新的核蛋白。TIN2与TRF1共存于细胞中期的染色体上。TIN2调节TRF1的功能，对端粒的长度起负调控作用。在正常细胞中，端粒的逐渐缩短导致端粒结合的TRF1、TIN2和端锚聚合酶的丢失，当端粒缩短到一定长度时，产生抑制生长的信号。而在肿瘤细胞中，端粒的缩短可能启动了恢复端粒酶活性的信号途径，从而使端粒保持在一定长度。

三、合成致死原理在肿瘤精准治疗中的应用

（一）BRCA和PARP抑制剂

乳腺癌易感基因（BRCA）的两种主要类型是BRCA1、BRCA2，研究表明，存在BRCA1或BRCA2基因突变的癌细胞对PARP抑制剂的作用敏感性非常高，科学家将这一存在于PARP和BRCA1/2之间的相互作用关系纳入合成致死现象，目前已有多款PARP抑制剂获批上市，用于癌症治疗。

（二）RAS

RAS基因家族与人类肿瘤相关的基因有3种，分别是HRAS、NRAS和KRAS。RAS蛋白作为大多数生长因子、细胞因子和激素的重要中间体，调控细胞的生长、增殖、分化和死亡。四分之一的癌症中具有RAS突变，其中一些特定癌症如结直肠癌，具有功能获得性RAS突变。由于RAS结构的复杂性，导致无法直接靶向RAS。

通过进行全基因组RNAi筛选与KRAS具有合成致死作用的基因，发现在结直肠癌中Polo样激酶1（PLK1）被抑制后导致存在RAS突变的细胞死亡。另有研究发现，KRAS与细胞周期蛋白依赖性激酶4（CDK4）、表皮细胞生长因子受体（EGFR）等存在合成致死关系。

（三）TP53

p53在细胞中起到应对各种压力的信号激活和调节作用，如细胞凋亡、细胞周期阻滞、DNA修复及代谢等。TP53基因是迄今发现与人类肿瘤相关性最高的基因。由于p53蛋白结构的复杂性，导致其无法直接靶向。

研究发现，TP53与微管相关蛋白4（MAP-4）、MAPK活化激酶2（MK2）、B淋巴细胞瘤-2基因（Bcl-2）、磷脂酰肌醇类似物（PIK）等存在合成致死作用。

（四）MYC

MYC是人类癌症中最常见的表达异常癌基因之一。由于结构复杂，至今没有找到直接靶向MYC的方法。

研究发现，MYC与肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体（TRAIL）、死亡受体5（DR5）、翻译起始因子4E结合蛋白1（4EBP1）、染色质重构因子（BRG1）等存在合成致死作用。

（五）PTEN

PTEN与蛋白质合成、细胞周期、迁移、生长的失调相关，是迄今为止发现的第一个具有磷酸酶活性的抑癌基因，是在人类肿瘤中最常见的突变基因之一。由于PTEN蛋白结构的复杂性，目前无法直接靶向。

研究发现，PTEN缺失导致肿瘤细胞的同源重组（HR）缺陷，由PTEN缺失引起的HR缺陷使肿瘤对PARP抑制剂敏感。目前，已有多款PARP抑制剂上市，用于癌症治疗。

四、合成致死研究的进展

随着对合成致死研究的不断深入，人们认识到合成致死不只发生在编码基因之间，长链非编码RNA（lncRNA）与微小RNA（miRNA）也可以和蛋白发生合成致死相互作用，如，lncRNA与TP53有合成致死作用，miRNA-206与过表达MYC人癌细胞有合成致死作用等。目前，合成致死原理已应用于各种癌症的治疗中，为癌症治疗提供了新的方向。

五、靶向同源重组修复的抗肿瘤研究进展

利用分子靶向药物造成化学干预同源重组修复的癌症治疗理念，使靶向同源重组修复成为新的抗肿瘤研究热点。除了直接抑制同源重组修复的关键组分，靶向其调节通路也可造成同源重组修复表型，如靶向细胞周期与检查点通控通、磷脂酰肌醇-3激酶（PI3K）信号转导通路、表观遗传与染色质重塑通路等。靶向同源重组修复既可与PARP抑制剂联用造成合成致死，可使耐药的患者重新对PARP抑制剂敏感，并使同源重组修复功能正常的患者也能受益于PARP抑制剂的治疗，还可以与传统放化疗和新兴的免疫疗法发挥协同作用。

虽然多种分子靶向药物可造成同源重组修复的表型，其与PARP抑制剂、放化疗或免疫检查点抑制剂的联用已被证明具有极大的临床应用潜力，但临床试验也观察到联用具有不同程度的毒性反应，部分情况下患者需要延缓治疗或减少给药剂量。因此，优化联合用药的给药方案，确定联合用药的每种药物的给药顺序、剂量和时间间隔，以尽量减少不良反应，同时最大限度地提高治疗效果，也是目前研究的重点。

 

文献资料

1、冯韵霖等，合成致死原理及其研究进展，中国医学创新，2010，7（6）：193-194

2、薛蔚雯等，合成致死作用中DNA损伤修复机制研究，分子诊断与治疗杂志，2013，5（2）：117-122

3、董隽等，DNA双链断裂与同源重组修复的研究进展，中国医学创新，2015，12（3）：143146

4、余倩云等，合成致死策略在DNA损伤修复缺陷肿瘤中的研究进展，医学研究杂志，2014，43（6）：4-7

5、乔红霞等，合成致死在精准肿瘤学中的应用，科学通报，2018，63（12）：1123-1129

6、钟振兴等，靶向同源重组修复的抗肿瘤研究进展，药学学报，2020，55（11）：2535-2548

 

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