同源重组修复缺陷HRD

在生命活动中，生物体的DNA不可避免地会受到多种因素和机制的影响而发生损伤。DNA的损伤修复机制在维持DNA结构的完整性和稳定性方面扮演着至关重要的角色，保证了生命的延续和物种的稳定。机体拥有多种修复DNA损伤的机制，其中同源重组修复（Homologous Recombination Repair，HRR）是细胞中最为重要的DNA修复机制之一。然而，当HRR发生障碍时，就会导致DNA损伤修复功能的障碍，进而引发诸如恶性肿瘤等问题的发生。

一、DNA的损伤修复机制

当DNA发生单链损伤时，机体主要通过切除修复机制，如碱基切除修复、核苷酸切除修复和错配修复，进行修复（图1A）。而当DNA遭受双链断裂时，就需要依赖重组修复机制来完成修复过程。根据不同的修复机制，重组修复可分为同源重组修复（HRR）和非同源末端连接重组（Non-Homologous End Joining，NHEJ）修复两种（图1B）。

在HRR中，损坏的DNA通过利用同源染色单体或姐妹染色单体作为模板来进行修复，以确保断裂的DNA双链与模板DNA进行准确的配对和重组。然而，HRR仅限于处于S/G2期的细胞。而NHEJ通常发生在DNA双链断裂末端缺少同源配对的情况下，在NHEJ过程中，损坏的DNA双链断裂末端直接通过酶催化的方式进行连接，速度快、不需要同源的模板、且适用于细胞周期的各个阶段，但容易造成修复的不精确。

图1. DNA的损伤修复机制. DNA单链损伤修复与（A）双链损伤修复（B）.

HRR与NHEJ是DNA损伤修复中两种重要的重组修复方式，它们在修复过程中具有各自的优缺点。下表（表1）对两种修复方式进行了比较：

表1. HRR与NHEJ的优缺点比较

二、同源重组修复缺陷HRD

同源重组修复缺陷（Homologous Recombination Repair Deficiency，HRD）是指细胞中同源重组修复机制功能受损或缺陷的状态。HRD可以由多种原因引起，包括HRR相关基因的胚系或体细胞突变，以及表观遗传失活（如甲基化）等多种因素。当细胞出现HRD时，其修复DNA损伤的能力受到限制，导致DNA双链断裂等损伤无法进行高质量的HRR修复，从而选择NHEJ不完全性修复方式。这可能导致细胞的基因组不稳定性增加，进而导致遗传信息丢失和基因突变等现象的发生。

HRR通路相关基因功能缺陷是导致HRD的常见而重要的原因。目前已知导致HRD最常见的原因是BRCA1、BRCA2、RAD51C、RAD51D、PALB2等基因变异，以及BRCA1的启动子甲基化等导致的HRR功能丧失。

三、HRD的基因组特征

当细胞发生HRD并出现DNA双链断裂时，细胞会启动非高保真方式，如非同源末端连接（NHEJ），进行双链断裂的修复。这种修复方式会导致插入或缺失等错误发生在基因中，进而导致基因组的高度不稳定性。这些错误会在基因组中留下特定的遗传标记，被称为基因组瘢痕（Genomic Scar，GS）。GS是一种特定的、可量化的、稳定的基因组特征。

GS的表现形式有三种（图2），分别是杂合性缺失（Loss of Heterogeneity，LOH）、端粒等位基因不平衡（Telomeric Allelic Imbalance，TAI）和大片端迁移（Large-scale State Transitions，LST）。

֍  杂合性缺失（LOH）定义为大于15 Mb且小于整个染色体长度的杂合性缺失。

֍  端粒等位基因不平衡（TAI）定义为延伸到其中一个亚端粒但不超过着丝粒且大于11 Mb的等位基因不平衡的染色体片段。

֍  大片端迁移（LST）定义为两个相邻区域(两个区域长度均大于等于10 Mb，且区域间距小于3Mb)之间的染色体断裂位点。

图2. HRD引起的基因瘢痕表现形式

四、HRD肿瘤临床病理及分子特征

HRD是恶性肿瘤中较为常见的分子标记。在不同类型的癌症中，卵巢癌是HRD发生率最高的类型，约占所有卵巢癌的30%。其次是乳腺癌、前列腺癌和胰腺癌，这些类型的癌症中HRD的发生率约为12%到13%，而在其他类型的肿瘤中，HRD较为少见。

 HRD阳性的卵巢癌更常见于高级别的浆液性癌。与BRCA1/2基因的胚系突变相关的卵巢高级别浆液性癌在组织学上表现为推挤性和浸润性生长，肿瘤细胞排列呈裂隙状、乳头状或腺样结构，细胞核异型性明显，核分裂象易于观察。免疫表型特点包括p53异常表达、ER和p16弥漫强阳性表达，同时可在组织学上表现为间质中有大量淋巴细胞浸润、地图样坏死以及实性、假子宫内膜样和移行上皮样等特点。

HRD阳性的乳腺癌在组织学上具有更高的分级，分子分型上更倾向于PR阴性、高Ki-67指数，常见于三阴性乳腺癌。此外，HRD阳性乳腺癌还具有更高的TP53突变率。

五、HRD的检测方法

目前，临床上常用的HRD检测方法为 HRR相关基因检测和基因组瘢痕分析（HRD评分）。HRR相关基因的突变可能导致HRR通路的障碍，进而导致HRD，这是引起HRD的常见原因之一。基因疤痕分析能够反映由HRD引起的基因组的高度不稳定性，因此可以被视为HRD导致的结果。

֍  HRR相关基因检测（“寻因”）：

（1）BRCA1/2基因突变是引起HRD最明确的HRR基因，也是迄今为止最理想的PARP抑制剂疗效预测标志物。卵巢癌BRCA胚系突变与体细胞突变对PARP抑制剂的疗效预测具有同等效力。

（2）除BRCA1/2基因外，RAD51B/C/D、ATM、BRD1、FANCL、BRIP1、PALB2、NBN、ATM、CHK1/2、CDK12等HRR相关基因突变也会导致肿瘤发生HRD。

（3）BRCA和RAD51C启动子甲基化也会导致HRD，通常在肿瘤组织内与BRCA基因突变互斥，但目前尚缺乏足够证据表明HRR基因启动子甲基化与PARP抑制剂的临床疗效有关，甚至存在相互冲突的研究结果；

֍   基因组瘢痕分析（“溯果”）：

基于SNPs的基因组瘢痕分析是目前最具应用前景的HRD临床检测方法。该方法通过设计基因组分布均匀的单核苷酸多态性位点（SNPs），利用高通量测序（NGS）技术监测这些位点的变异情况。然后，通过生物信息学算法计算肿瘤样本中LOH、TAI和LST这三个指标的数量，并结合这些指标计算HRD评分。通过综合评估基因组的不稳定性，可以预测肿瘤的HRD状态及其程度。

六、HRD与药物治疗

PARP抑制剂（PARPi）是一类作用于聚腺苷二磷酸核糖聚合酶（PARP）的药物。PARP在DNA单链损伤修复中扮演关键角色，主要通过碱基切除修复（BER途径）发挥作用。PARPi通过抑制PARP介导的DNA单链断裂修复过程，进一步增加了DNA单链断裂的累积，导致细胞发生双链断裂。当肿瘤细胞存在HRD时，双链断裂无法被有效修复，从而触发细胞的死亡过程，这被称为合成致死原理。目前全球已经批准上市多种PARPi药物，包括奥拉帕利（Olaparib）、鲁卡帕利（Rucaparib）、尼拉帕利（Niraparib）、他拉唑帕利（Talazoparib）等。这些药物已经相继获得了在卵巢癌、前列腺癌、乳腺癌、胰腺癌等多种肿瘤类型的适应证。

铂类药物（Pt）是广泛应用于临床的一类肿瘤化疗药物，包括卡铂（carboplatin）、顺铂（cisplatin）和奥沙利铂（oxaliplatin）等。这些药物进入细胞后与核内的DNA共价结合，形成Pt-DNA加合物，导致DNA链间交联。这些交联能够干扰DNA的正常结构和功能，阻碍DNA的复制和转录过程，从而导致肿瘤细胞的死亡。

在DNA修复机制中， HRR是对链间交联最准确的修复机制。然而，在存在HRD的情况下，铂类药物的使用会使肿瘤细胞间的DNA损伤无法通过HRR修复。这样，细胞无法有效修复DNA损伤，最终导致细胞死亡。

因此，铂类药物通过与DNA的交联形成、干扰DNA结构和功能以及阻碍DNA修复机制，引起肿瘤细胞的死亡。在存在HRD的情况下，铂类药物的治疗效果可能更为显著，因为它们能够进一步阻断肿瘤细胞对DNA损伤的修复，促使细胞发生死亡。

图3. HRD抗肿瘤药物治疗机制.  PARPi药物抗肿瘤机制（A）铂类药物(Pt)抗肿瘤机制（B）

五、参考文献

1.周春燕主编，生物化学与分子生物学[M]，版次(9)，人民卫生出版社，2018：249-259；

2.Li et al. PARP inhibitor resistance: the underlying mechanisms and clinical implications.[J] .Mol Cancer, 2020, 19: 0；

3. Gonzalez David et al. Homologous recombination repair deficiency (HRD): From biology to clinical exploitation.[J] .Genes Chromosomes Cancer, 2021, 60: 299-302.

4. Sztupinszki Zsofia et al. Migrating the SNP array-based homologous recombination deficiency measures to next generation sequencing data of breast cancer.[J] .NPJ Breast Cancer, 2018, 4: 16.

5.陈锐等.同源重组修复缺陷临床检测与应用专家共识（2021版）[J].中国癌症防治杂志,2021,13(04):329-338.

6. Stanislas Quesada et al. Toward More Comprehensive Homologous Recombination Deficiency Assays in Ovarian Cancer, Part 1: Technical Considerations.[J] .Cancers (Basel), 2022, 14: 0.

7. Popova Tatiana et al. Ploidy and large-scale genomic instability consistently identify basal-like breast carcinomas with BRCA1/2 inactivation.[J] .Cancer Res, 2012, 72: 5454-62.

请关注微信公众号，更多精彩内容实时更新中

本网站发布所有原创内容，版权归属尖端生物及相关版权方，内容仅供学术交流，如有侵权请联系删除。未经授权的转载是侵权行为，版权方保留追究法律责任的权利。投稿，转载或版权问题，请联系:submit@advanced-biotech.cn;商务合作请联系:cc@advanced-biotech.cn