La letalidad sintética se define como un tipo de interacción genética en la que la combinación de dos eventos genéticos da como resultado la muerte celular o la muerte de un organismo. [1] Aunque la explicación anterior es más amplia que esto, es común cuando se hace referencia a la letalidad sintética referirse a la situación que surge en virtud de una combinación de deficiencias de dos o más genes que conducen a la muerte celular (ya sea por medio de apoptosis o de otra manera), mientras que una deficiencia de solo uno de estos genes no lo hace. En un cribado genético de letalidad sintética , es necesario comenzar con una mutación que no resulte en muerte celular, aunque el efecto de esa mutación podría resultar en un fenotipo diferente (crecimiento lento, por ejemplo), y luego probar sistemáticamente otras mutaciones en loci adicionales para determinar cuál, en combinación con la primera mutación, causa la muerte celular que surge por deficiencia o abolición de la expresión.
La letalidad sintética tiene utilidad para la terapia molecular dirigida contra el cáncer. El primer ejemplo de un agente terapéutico dirigido molecularmente, que explotó un enfoque de letalidad sintética, surgió por medio de un gen supresor tumoral inactivado ( BRCA1 y 2), un tratamiento que recibió la aprobación de la FDA en 2016 ( inhibidor de PARP ). [2] Un subcaso de letalidad sintética, donde las vulnerabilidades se exponen mediante la eliminación de genes pasajeros en lugar de supresores tumorales, es la denominada "letalidad colateral". [3]
El fenómeno de la letalidad sintética fue descrito por primera vez por Calvin Bridges en 1922, quien observó que algunas combinaciones de mutaciones en el organismo modelo Drosophila melanogaster (la mosca común de la fruta) confieren letalidad. [1] Theodore Dobzhansky acuñó el término "letalidad sintética" en 1946 para describir el mismo tipo de interacción genética en poblaciones de tipo salvaje de Drosophila . [4] Si la combinación de eventos genéticos da como resultado una reducción no letal en la aptitud, la interacción se denomina enfermedad sintética. Aunque en genética clásica el término letalidad sintética se refiere a la interacción entre dos perturbaciones genéticas, la letalidad sintética también puede aplicarse a casos en los que la combinación de una mutación y la acción de un compuesto químico causa letalidad, mientras que la mutación o el compuesto por sí solos no son letales. [5]
La letalidad sintética es una consecuencia de la tendencia de los organismos a mantener esquemas de amortiguación (es decir, planes de respaldo) que generan estabilidad fenotípica a pesar de las variaciones genéticas subyacentes, los cambios ambientales u otros eventos aleatorios, como las mutaciones. Esta robustez genética es el resultado de vías redundantes paralelas y proteínas "capacitadoras" que camuflan los efectos de las mutaciones de modo que los procesos celulares importantes no dependen de ningún componente individual. [6] La letalidad sintética puede ayudar a identificar estas relaciones de amortiguación y qué tipo de enfermedad o disfunción puede ocurrir cuando estas relaciones se rompen, a través de la identificación de interacciones genéticas que funcionan en el mismo proceso bioquímico o en vías que parecen no estar relacionadas. [7]
Los análisis letales sintéticos de alto rendimiento pueden ayudar a esclarecer cuestiones sobre cómo funcionan los procesos celulares sin conocimiento previo de la función o interacción de los genes. La estrategia de análisis debe tener en cuenta el organismo utilizado para el análisis, el modo de perturbación genética y si el análisis es directo o inverso . Muchos de los primeros análisis letales sintéticos se realizaron en Saccharomyces cerevisiae . La levadura en ciernes tiene muchas ventajas experimentales en los análisis, incluido un genoma pequeño, un tiempo de duplicación rápido, estados haploides y diploides y facilidad de manipulación genética. [8] La ablación de genes se puede realizar utilizando una estrategia basada en PCR y bibliotecas completas de colecciones de knockout para todos los genes de levadura anotados están disponibles públicamente. La matriz genética sintética (SGA), la letalidad sintética por microarreglo (SLAM) y el mapeo de interacción genética (GIM) son tres métodos de alto rendimiento para analizar la letalidad sintética en levadura. Se creó un mapa de interacción genética a escala del genoma mediante análisis SGA en S. cerevisiae que comprende aproximadamente el 75% de todos los genes de levadura. [9]
La letalidad colateral es un subcaso de letalidad sintética en la terapia personalizada contra el cáncer, donde las vulnerabilidades quedan expuestas mediante la eliminación de genes pasajeros en lugar de genes supresores de tumores, que se eliminan en virtud de la proximidad cromosómica a los principales loci supresores de tumores eliminados. [3]
Las mutaciones en genes empleados en la reparación de desajustes del ADN (MMR) causan una alta tasa de mutación. [10] [11] En los tumores, estas frecuentes mutaciones posteriores a menudo generan antígenos inmunogénicos "no propios". Un ensayo clínico en fase II en humanos, con 41 pacientes, evaluó un enfoque letal sintético para tumores con o sin defectos de MMR. [12] En el caso de los tumores esporádicos evaluados, la mayoría serían deficientes en MMR debido a la represión epigenética de un gen MMR (ver reparación de desajustes del ADN ). El producto del gen PD-1 normalmente reprime las respuestas inmunitarias citotóxicas. La inhibición de este gen permite una mayor respuesta inmunitaria. En este ensayo clínico de fase II con 47 pacientes, cuando los pacientes de cáncer con un defecto en MMR en sus tumores fueron expuestos a un inhibidor de PD-1, el 67% - 78% de los pacientes experimentaron una supervivencia libre de progresión relacionada con el sistema inmunitario. En contraste, para los pacientes sin MMR defectuoso, la adición del inhibidor de PD-1 generó solo el 11% de los pacientes con supervivencia libre de progresión relacionada con el sistema inmunitario. Por lo tanto, la inhibición de PD-1 es principalmente letal de forma sintética en los defectos de MMR.
El análisis de 630 tumores primarios humanos en 11 tejidos muestra que la hipermetilación del promotor WRN (con pérdida de expresión de la proteína WRN) es un evento común en la tumorigénesis. [13] El promotor del gen WRN está hipermetilado en aproximadamente el 38% de los cánceres colorrectales y carcinomas de pulmón de células no pequeñas y en aproximadamente el 20% de los cánceres de estómago , cánceres de próstata , cánceres de mama , linfomas no Hodgkin y condrosarcomas , además de en niveles significativos en los otros cánceres evaluados. La proteína helicasa WRN es importante en la reparación del ADN recombinatorio homólogo y también tiene funciones en la reparación del ADN de unión de extremos no homólogos y la reparación del ADN por escisión de bases . [14]
Los inhibidores de la topoisomerasa se utilizan con frecuencia como quimioterapia para diferentes tipos de cáncer, aunque causan supresión de la médula ósea, son cardiotóxicos y tienen una eficacia variable. [15] En 2006 se realizó un estudio retrospectivo, con un seguimiento clínico prolongado, de pacientes con cáncer de colon tratados con el inhibidor de la topoisomerasa irinotecan . En este estudio, 45 pacientes tenían promotores del gen WRN hipermetilados y 43 pacientes tenían promotores del gen WRN no metilados . [13] El irinitecan fue más beneficioso para los pacientes con promotores WRN hipermetilados (supervivencia de 39,4 meses) que para aquellos con promotores WRN no metilados (supervivencia de 20,7 meses). Por lo tanto, un inhibidor de la topoisomerasa pareció ser letal sintéticamente con una expresión deficiente de WRN . Evaluaciones posteriores también han indicado letalidad sintética de la expresión deficiente de WRN y de los inhibidores de la topoisomerasa. [16] [17] [18] [19] [20]
Como revisaron Murata et al., [21] cinco inhibidores diferentes de PARP1 ahora están en ensayos clínicos de fase I, II y III , para determinar si inhibidores de PARP1 particulares son letales sintéticamente en una gran variedad de cánceres, incluidos los de próstata, páncreas, tumores pulmonares de células no pequeñas, linfoma, mieloma múltiple y sarcoma de Ewing. Además, en estudios preclínicos que utilizan células en cultivo o dentro de ratones, se están probando inhibidores de PARP1 para determinar la letalidad sintética contra deficiencias epigenéticas y mutacionales en alrededor de 20 defectos de reparación del ADN más allá de las deficiencias de BRCA1/2. Estos incluyen deficiencias en PALB2 , FANCD2 , RAD51 , ATM , MRE11 , p53 , XRCC1 y LSD1 .
ARID1A , un modificador de la cromatina, es necesario para la unión de extremos no homólogos , una vía importante que repara las roturas de doble cadena en el ADN, [22] y también tiene funciones reguladoras de la transcripción. [23] Las mutaciones de ARID1A son una de las 12 mutaciones cancerígenas más comunes. [24] Se ha encontrado mutación o expresión epigenéticamente disminuida [25] de ARID1A en 17 tipos de cáncer. [26] Los estudios preclínicos en células y en ratones muestran que la letalidad sintética para la expresión deficiente de ARID1A ocurre ya sea por inhibición de la actividad de metiltransferasa de EZH2, [27] [28] por inhibición de la quinasa de reparación del ADN ATR, [29] o por exposición al inhibidor de la quinasa dasatinib. [30]
Existen dos vías para la reparación de roturas de doble cadena por recombinación homóloga . La vía principal depende de BRCA1 , PALB2 y BRCA2, mientras que una vía alternativa depende de RAD52. [31] Estudios preclínicos, que involucran células deficientes en BRCA reducidas o mutadas epigenéticamente (en cultivo o inyectadas en ratones), muestran que la inhibición de RAD52 es letal sintéticamente en casos de deficiencia de BRCA . [32]
Aunque los tratamientos que utilizan letalidad sintética pueden detener o retardar la progresión de los cánceres y prolongar la supervivencia, cada uno de los tratamientos letales sintéticos tiene algunos efectos secundarios adversos. Por ejemplo, más del 20% de los pacientes tratados con un inhibidor de PD-1 experimentan fatiga, sarpullido, prurito , tos, diarrea, disminución del apetito, estreñimiento o artralgia . [33] Por lo tanto, es importante determinar qué deficiencia de DDR está presente, de modo que solo se pueda aplicar un tratamiento letal sintético eficaz y no someter innecesariamente a los pacientes a efectos secundarios adversos sin un beneficio directo.
