合成致死黄金赛道：PARP
近年来，合成致死是肿瘤靶向治疗领域的热点之一。PARP抑制剂是首个基于合成致死概念取得成功的药物。所谓合成致死，是指两个非致死性基因同时被抑制，导致细胞死亡的现象。研究表明，多聚ADP核糖聚合酶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，它在各种细胞功能中起着至关重要的作用。
PARP的抑制作用对肿瘤细胞具有显著的致死性，目前，PARP成为发现新型抗肿瘤药物的重要靶点。因此，研究人员一直致力于开发新型和有效的PARP抑制剂用于癌症治疗。此外，联合抑制PARP和具有协同作用的靶点可能为提高当前抗癌方案的有效性提供一种合理的策略。同时，基于PARP抑制剂的PROTAC也为克服PARP耐药问题提供了新的研究思路。
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PARP家族成员及其功能
根据PARP结构和功能的不同，可分为四个类型:（图1）
1、依赖DNA的PARP酶，即PARP-1、PARP-2和PARP-3 (Vault-PARP)
2、端锚聚合酶，即PARP5A和PARP-5B
3、含有Trp-Trp-Glu PARP结合域和含有cys - cys - his锌指的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家族中最主要的成员，其在细胞中承担着PARP家族90 %以上的功能，是DNA损伤修复中的关键作用因子。
图1.PARP家族及其生物学功能
1.1PARP-1
PARP-1由以下三个结构域组成:一个自动修饰结构域，一个DNA结合结构域(DBD)和一个催化结构域。PARP-1被研究得最充分的功能之一是与DNA修复有关。当一些DNA修复基因，如BRCA1和BRCA2失去功能时，PARP-1抑制可能是致命的。这些DNA修复基因在各种癌症中经常发生突变。因此，PARP-1抑制剂可以有效地选择性靶向具有DNA修复途径缺陷的恶性细胞。此外，PARP-1还在其他核生理过程中发挥作用。例如染色质的调节，核交通，核糖体生物发生和表观遗传。除上述功能外，它还参与转录调节。
1.2 PARP-2
PARP-2具有与PARP-1相似的功能区域，包括DNA结合域、E域和F域(催化域)。DBD包含一个核定位信号，负责DNA结合。结构域 E作为一个自动修饰域、一个蛋白-蛋白相互作用域和一个同型二聚化界面。PARP-2的自聚(adp -核糖化)发生在赖氨酸36和37以及结构域E上，它们是同时乙酰化的目标底物。此外，PARP-2被发现与许多蛋白质相互作用。这些蛋白质参与多种功能，如DNA修复、DNA复制、转录、细胞周期、细胞死亡、能量稳态、代谢和RNA代谢等。
1.3 PARP-3
最近的研究表明，PARP-3可以催化多种蛋白质的翻译后修饰，参与转录调节、能量代谢和细胞死亡等生物过程。PARP-3已被发现与参与转录沉默的多梳蛋白有关。此外，它还与DNA修复网络有关，包括非同源末端连接和碱基切除修复/单链断裂修复，这表明PARP3参与了基因组完整性的维护。此外，PARP-3通过调节和关联有丝分裂组分Tankyrase 1和NuMA，被认为是端粒完整性和有丝分裂纺锤体稳定的关键角色。这些功能为PARP-3靶向治疗癌症带来了广阔的前景。
1.4 PARP-5A and PARP-5B
PARP- 5a(也称为Tankyrase 1)由一个氨基端结构域、一个锚蛋白结构域、一个羧基端PARP催化结构域和一个SAM结构域组成。PARP-5B(也称为Tankyrase 2和ARTD6)与PARP-5A相关，但缺乏N端HPS结构域。PARP-5B的锚蛋白结构域与PARP-5A的同源性为83%，SAM结构域与PARP-5A的同源性为74%。C端PARP域是高度保守的。锚蛋白结构域与蛋白质-蛋白质相互作用有关。
PARP-5A和PARP-5B的SAM结构域与自寡聚有关，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，这与PARP-1的酶活性相似。根据先前的报道， PARP-5A在代谢稳态、端粒维持和细胞周期调节中发挥作用，并通过调节Wnt/b-catenin信号通路促进肿瘤发展。此外，它在一些癌症中表达异常，如星形细胞瘤。PARP-5B对代谢稳态和端粒维持很重要，可以调节胶质瘤干细胞中的Wnt/b-catenin信号通路。
1.5 其他PARP家族成员
除上述PARP家族成员外，其他成员也在细胞稳态和肿瘤进展中发挥重要作用。PARP-6参与细胞凋亡和增殖的调控。PARP-7被发现是芳基烃受体调节剂; PARP-8与皮肤、头发和指甲异常有关。虽然PARP-9具有羧基末端氨基酸序列，但它缺乏PARP活性。它可能促进许多实体肿瘤(如前列腺肿瘤)的复发、转移和化疗耐药。此外，PARP-9在胶质瘤中异常过表达，并参与各种肿瘤促进免疫和炎症反应。
PARP-10参与细胞周期调控、细胞增殖和凋亡调控以及基因组完整性的维持。PARP-11可以调节I型干扰素信号，被证实为特发性哺乳动物畸形精子症的潜在相关因素。PARP-12可以被认为是细胞应激反应的关键中枢。PARP-13是众所周知的RNAbinding蛋白。此外，PARP-13对肿瘤的发展和恶性转化具有保护作用。PARP-14可促进多种癌症(如肝细胞癌)的Warburg效应，并可调节多种恶性肿瘤中jnk2依赖的促生存信号。
PARP-15是肿瘤发展的候选基因，据报道它与细胞凋亡有关，并且由于其调节基因转录的能力。PARP-16是一种尾部锚定的内质网跨膜蛋白，其酶活性在内质网应激时上调。
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PARP在细胞中的作用
研究表明，聚(adp -核糖)聚合酶(PARPs)的核酶可以催化PARylation的过程，通过将adp核糖残基从烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)转移到目标底物上。NAD可以快速识别各种DNA损伤，然后聚集到损伤部位。随后，DNA损伤反应分子被诱导被招募，然后PARP-1, PARP-2, PARP-3, PARP-5A, PARP-5B等PARP在人体内进行聚(adp -核糖)(PAR)合成。
此外，PARPs在其他细胞应激反应的调节中发挥着重要作用，这些反应与蛋白质和RNA的质量控制有关，特别是未折叠蛋白的反应和细胞质应激。一些PARPs还能调节获得性免疫，激活免疫细胞。此外，PARPs通过调节各种细胞生理过程，如细胞分裂、细胞信号转导和细胞运动，在一般、非防御和非应激途径中发挥额外的作用（图2）。PARPs参与多种细胞过程，因此已成为开发新型抗肿瘤药物的重要靶点。
图2.PARP在细胞中的作用
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PARP抑制剂研究现状
目前，全球共有6款PARP抑制剂获批上市，获批适应症包括输卵管癌、乳腺癌、卵巢癌等（图3）。其中，奥拉帕利是首款获得FDA批准上市的PARP抑制剂。然而，尽管PARP靶向药物对不同类型的恶性肿瘤都有一定的临床疗效，但在临床使用中，PARP靶向药物的耐药性和不良反应是一个新出现的问题。
图3.已上市的PARP抑制剂
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基于PARP抑制剂的PROTAC降解剂
靶向蛋白水解嵌合体(PROTAC)分子是一种含两个配体和一个连接体的杂双功能分子。两种配体可特异性结合E3泛素连接酶和靶蛋白。这些分子能够将目标蛋白驱动到E3泛素连接酶，然后形成三元复合物，导致目标蛋白泛素化，进而诱导蛋白酶介导降解（图4）。
近年来，PROTACs策略已被广泛用于诱导ALK、BET和CDK9.181−184等靶蛋白的降解，与传统抑制剂相比，PROTACs具有几个优点。例如，它们不需要位于目标蛋白质的活性位点就能起作用。此外，PROTAC在克服耐药性以及不可成药靶点方面具有巨大优势。更重要的是，它们在较低剂量下就能发挥作用，从而为开发强效抗肿瘤药物提供了极好的机会。
图4. PROTAC作用机制
4.1 基于PARP单靶点PROTAC
目前，已成功报道了几种PARP-1降解剂（图5），可有效降解各种耐药肿瘤细胞中的PARP-1，这为改善PARP-1过度激活引起的病理状况提供了一种有前景的方法。
图5.靶向PARP的单靶点PROTAC
4.2 基于PARP的双靶点PROTAC
受到双靶向药物特别是双特异性抗体研制的重大突破的启发，华中科技大学李华课题组基于EGFR抑制剂吉非替尼和PARP抑制剂奥拉帕利为靶头化合物，合成不同链接长度和不同E3连接酶（CRBN-和VHL-）招募的EGFR和PARP蛋白双重靶向降解嵌合分子（Dual PROTACs），在细胞水平成功地同时降解癌细胞内的EGFR和PARP蛋白（图6）。
值得注意的是，这是Dual PROTACs第一个成功的例子，极大地拓展了PROTAC技术的应用，为PROTAC领域的研究提供了新思路。当然，Dual PROTACs存在分子量增大而导致透膜性差和药代动力学性质不佳等问题。要解决这些问题可能有两个策略，一个方向是采用载药系统进行递送以改善药物的吸收，另一个方向就是简化PROTAC结构，以缩小分子量。
图6. PARP和EGFR的双靶点PROTAC
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小结
自100多年前提出合成致死概念以来，这一假说已被深入研究。PARP抑制剂是一个基于合成致死概念在临床上取得成功的药物。作为合成致死的典型代表，PARP近年来飞速发展。目前，已经有6款PARP抑制剂上市，但耐药问题接踵而至。
然而，PARP双靶点抑制剂以及PARP降解剂的成功开发，为克服PARP抑制剂耐药问题提供了新思路。此外，PARP抑制剂与其他抗肿瘤药物联用也表现出出色的治疗效果。我们相信，未来的PARP抑制剂一定会大放异彩，造福四方！
参考文献
1、Multi-therapies Based on PARP Inhibition: Potential Therapeutic Approaches for Cancer Treatment. https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.2c01352
2、PARP Inhibitors as therapeutics: Beyond modulation of PARylation. Cancers 2020, 12 (2), 394.
3、New PARP targets for cancer therapy. Nat. Rev. Cancer 2014, 14 (7), 502−509.
4、Poly (ADP-ribose) regulates stress responses and microRNA activity in the cytoplasm. Mol. Cell 2011, 42 (4), 489−499
5、同写意.《奥拉帕利耐药怎么办？谈PARP抑制剂的耐药机制和改进策略》
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