Nature：利用CRISPR改善療藥物甲氨蝶呤的抗癌療效

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作為一種經典的化療藥物，甲氨蝶呤（methotrexate）已在臨床上使用了將近70年。它的基本作用機制是眾所周知的。這種藥物抑制二氫葉酸還原酶（DHFR），其中DHFR是一種產生被稱作四氫葉酸（THF）的葉酸功能形式的酶。THF是製備核酸---比如攜帶細胞遺傳信息的DNA和參與蛋白表達的RNA---所需的原料所必不可少的。細胞增殖必須複製它們的DNA，因此它們需要大量的THF，而且即便不發生分裂的細胞需要產生RNA，它們也需要THF。

圖片來自Lisa Nip/Whitehead Institute。

甲氨蝶呤經常被用來治療一種被稱作急性淋巴細胞白血病（ALL）的兒童白血病，而且當作為一種多層面治療計劃的一部分時，它是高度有效的。但是這是有代價的。鑒於甲氨蝶呤不僅會損害癌細胞，而且也會損害健康組織，因此必須非常小心地使用它。對接受高劑量甲氨蝶呤治療（這是針對ALL的一種主流的治療方法）的兒童患者來說，這可能意味著需要在醫院度過幾天以便接受嚴格的臨床監測。

對其他類型的癌症而言，甲氨蝶呤的療效是更加不確定的。比如，在小兒骨肉瘤（pediatric osteosarcoma）中，僅65％的患者作出反應。不幸的是，醫生們當前無法確定誰將會作出反應和誰將不會作出反應。

在一項新的研究中，來自美國麻省理工學院懷特黑德生物醫學研究所的David Sabatini、Sabatini實驗室博士後研究員Naama Kanarek及其同事們開創性地利用CRISPR/Cas9基因組編輯技術篩選參與甲氨蝶呤敏感性的因素。他們取得的一組令人吃驚的發現指出組氨酸降解是癌細胞對甲氨蝶呤敏感的一種重要的決定因素。這一發現不僅有助於闡明甲氨蝶呤的生物學特性，而且也提示著一種簡單的膳食補充劑可能有助於擴大它的治療窗口和降低它的毒性。相關研究結果於2018年7月11日在線發表在Nature期刊上，論文標題為「Histidine catabolism is a major determinant of methotrexate sensitivity」。

如今，Kanarek開展的CRISPR/Cas9篩選結果進一步有助於闡明甲氨蝶呤的分子機制。她和她的同事們發現另一種被稱作FTCD的酶也參與組氨酸降解。令人關注的是，FTCD也需要THF發揮它的功能，不過不同於作為甲氨蝶呤的主要靶標的DHFR的是，FTCD並不是甲氨蝶呤的主要靶標。儘管這兩種酶對THF存在著不同的需求，但是它們都從相同的THF庫中獲取它。

在正常情形下，這個THF庫是非常充足的，因此這兩種酶不會競爭THF資源，即便是在快速分裂的細胞中，也是如此。但是當THF的數量有限---就像接受甲氨蝶呤治療的細胞中的那樣---時，情況就完全不同了。就這種情形而言，FTCD的活性就存在嚴重的問題，這是因為THF庫中沒有足夠的THF來支持細胞增殖和組氨酸降解。當這種情形發生時，細胞就會死亡。

這讓Kanarek更多地考慮組氨酸：這種氨基酸是否可以提供一種方法來調整FTCD的活性，並且利用癌細胞自身的代謝，讓它們對甲氨蝶呤更加敏感呢？

為了探究這個問題，這些研究人員通過將人白血病細胞移植到免疫受損小鼠的皮膚下培育出白血病小鼠模型。其中的一小部分小鼠接受甲氨蝶呤和組氨酸注射。Kanarek猜測這種組合拳打擊應當會提高FTCD的功能，更快地消耗THF庫中的THF，從而使癌細胞對甲氨蝶呤的殺癌作用更加敏感。

這正是Sabatini團隊觀察到的結果。值得注意的是，這些實驗涉及注射低於正常劑量的甲氨蝶呤，這提示著癌細胞應當對這種抗癌藥物更加敏感。再者，這些實驗還包括一種稱為SEM的人白血病細胞系，這種細胞系攜帶著與患者預後特別差相關的特定基因突變，這進一步突出了組氨酸降解通路削弱癌細胞防禦的能力。

如今，Kanarek和她的同事們正在努力通過開展進一步的臨床前研究來擴展這些初步的研究結果，並確定如何最好地評估組氨酸補充劑對癌症患者的潛在益處。他們的最終目標是：進行臨床試驗來評估組氨酸改善甲氨蝶呤在人體中的療效的能力。

除了讓癌細胞對甲氨蝶呤更加敏感外，這項新的研究也有望解決另一項治療挑戰：確定哪些患者將對藥物作出反應或不作出反應。

另外的兩種酶與FTCD一起降解組氨酸。其中的一種酶（被稱作HAL）的水平似乎與癌細胞對甲氨蝶呤的敏感性相關：具有高水平HAL的癌細胞往往對這種藥物更加敏感。還需開展更多的研究來確定這種相關性是否擴展到更廣泛的患者樣本，以及它是否具有臨床預測價值。儘管如此，Kanarek和她的同事們已經開始在這方面開展研究工作了。這些研究人員還想要研究HAL水平是否能夠預測淋巴瘤患者對甲氨蝶呤作出的反應。

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