许多癌症中参与同源重组（HR）修复的基因发生双重拷贝突变，导致这些癌症细胞存在HR缺陷【1,2】。有研究发现HR缺陷型细胞对多聚ADP核糖聚合酶（PARP）抑制剂非常敏感，由此PARP抑制剂已被用于开发癌症治疗药物【3,4】。PARP抑制剂作为治疗药物的一个优势在于癌症患者体内正常细胞仍具有HR修复功能，对PARP抑制剂具有抗药性，可以做到靶向杀死HR缺陷型癌症细胞。PARP可以结合各种类型的DNA损伤，一旦与损伤位点结合后PARP的构象会发生改变，将PARP困在DNA上并增强其催化活性，介导自身和底物的PAR化，而PAR化的PARP将从DNA上释放转变为不活跃的构象状态【5-8】。根据PARP特性设计的抑制剂可以抑制其催化活性阻止自身的PAR化，从而将PARP困在DNA损伤位点。但是由于PARP反向异构体的存在，使得PARP抑制剂将PARP困在DNA上的潜能较差，因此对于PARP抑制剂诱导HR缺陷型癌细胞致死的机制仍未有定论。
近日，来自瑞士日内瓦大学的Thanos D. Halazonetis课题组在Nature上发表了研究论文Transcription–replication conflicts underlie sensitivity to PARP inhibitors。在本研究中，作者剖析了PARP抑制剂诱导HR缺陷型癌细胞死亡的具体机制，该作用机制不依赖其滞留PARP蛋白在DNA上的能力，而是其抑制PARP催化活性的能力。具体来说，PARP抑制剂抑制了PARP的催化能力导致其不能向TIMELESS和TIPIN传递转录-复制冲突出现的信号，从而引起了DNA损伤，而DNA损伤在HR缺陷型的癌细胞中是合成致死的。

目前的主流观点认为PARP抑制剂诱导HR缺陷型癌细胞死亡的机制是由于PARP被困在DNA上阻断了复制体的进展，造成转录-复制冲突和DNA损伤的形成，由于HR功能缺陷不能修复损伤引起细胞死亡【9】。为了探究这个理论的可靠性，作者首先分析了两种（TIMELESS和TIPIN）在保护复制体不受转录冲突影响的蛋白，使用DRB抑制转录延伸并敲低两者中的任意一个都会导致HeLa细胞进入S期时以依赖转录延伸的方式诱导γH2AX、53BP1 和 RAD51 病灶的形成。通过使用各种药物停滞细胞周期，加上DRB的存在，作者发现DNA损伤在TIMELESS或TIPIN被敲低的细胞中进入S期早期时被诱导产生，并持续到有丝分裂期。此外，作者还发现TIMELESS和TIPIN还会影响细胞DNA复制分叉的进程。这些结果表明TIMELESS和TIPIN保护S期早期的复制体免受转录-复制冲突的影响。
随后，作者接着分析PARP是否参与了上面发现的TIMELESS和TIPIN的保护功能。通过类似的实验，然后在添加或不添加PARP抑制剂的情况下，研究发现四种不同的PARP抑制剂都会诱导DNA损伤的产生，而DRB和其他转录延伸抑制剂都可以抑制其诱导的DNA损伤，并且PARP抑制剂处理会导致转录-复制冲突的产生。这些现象都与TIMELESS和TIPIN被敲低后观察到的一致，说明PARP1 也参与保护 S 期早期的复制体免受转录复制冲突的影响。对四种PARP抑制剂的抑制功能进行研究发现，PARP 抑制剂由于反向异构作用的不同，在 DNA 上锁住 PARP 的能力也不同。令人惊喜的是，四种 PARP 抑制剂在 S 期早期诱导转录-复制冲突依赖性DNA 损伤的半数最大有效浓度 (EC50) 值，与 PARP 酶活性的抑制能力相关，而不是与 PARP在染色质上的捕获能力相关。同时，作者还发现敲低PARP1可以通过转录延伸的方式诱导DNA损伤。
各项证据都暗示着PARP和TIMELESS/TIPIN可能通过相同的途径阻止转录-复制冲突的产生。考虑到PARP1和TIMELESS之间存在直接的相互作用，作者进一步分析了PARP1和TIMELESS的关系。研究发现PARP1通过TIMELESS向存在转录-复制冲突的复制体发挥作用，PAPR1可以抑制转录-复制冲突引起的DNA损伤和复制叉障碍；而 PARP2 由于与 TIMELESS 没有相互作用，因此不参与其中。考虑到PARP抑制剂可以诱导转录-复制冲突依赖的DNA损伤，那么转录-复制冲突引起的DNA损伤是否导致了PARP抑制剂造成的HR缺陷型细胞死亡？为了揭示这个问题，作者利用HR缺陷型细胞（BRCA2−/−细胞）及其对照组进行了DRB和PAPR抑制剂处理。研究发现，PARP抑制剂处理的BRCA2−/−细胞在进入S期时会出现微核和γH2AX病灶两种DNA出现损伤的标记物，BRCA2−/−细胞合成致死率增加；而同时添加DRB和PARP抑制剂的HR缺陷型细胞中这些标志物的出现受到了抑制。同样的，TIMELESS和TIPIN的缺失也会增加BRCA2−/−细胞出现强烈的DNA损伤反应并导致细胞死亡。这些数据表明PARP抑制剂诱导的转录-复制冲突是导致HR缺陷型细胞死亡的主要诱因。
最后，为了进一步揭示PARP抑制剂发挥作用的机制是否与其将PARP蛋白困在DNA上的能力相关，作者对四种不同的PARP抑制剂在处理BRCA2−/−细胞时的表现进行了研究。与上述结果一致的是，在HR缺陷型细胞中，PARP抑制剂的致死剂量曲线与细胞内PARP1酶活抑制曲线相吻合，而不与PARP1锚定在DNA上的曲线一致。随后，作者将PARP抑制剂与TMZ（一种诱导DNA断裂的小分子）联合使用，TMZ可以将PARP困在DNA损伤位点，但并不能增强PARP抑制剂诱导HR缺陷型细胞死亡的能力。这些数据支持一个观点，即PARP抑制剂诱导HR缺陷型细胞死亡的机制主要与其抑制PARP的酶活能力相关，与其捕获PARP蛋白的能力不相关。
总的来说，这篇文章详细的研究了PARP抑制剂诱导HR缺陷型细胞死亡的具体机制，推翻了主流观点，作者的研究发现PARP抑制剂诱导转录-复制冲突依赖的DNA损伤反应，但是这种DNA损伤的出现并不是由于PARP被困在DNA上阻止了复制体的进展而引起的，而是与其酶活功能相关。PAPR1通过其催化活性向TIMELESS和TIPIN传递转录-复制冲突出现的信号，从而暂停复制体直到DNA损伤被解决。在HR缺陷型细胞中，其修复DNA损伤的能力丧失，导致了PARP抑制剂诱导的DNA损伤反应不能被修复进而引起了细胞死亡。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07217-2