PARP1全称为poly(ADP-ribose) polymerase 1，即多聚ADP核糖聚合酶1，首次被报道是在50多年前，之后逐渐被发现在DNA修复、维持基因组完整性以及调控多种代谢和信号转导过程等方面扮演着重要角色。PARP1能够催化ADP核糖残基从NAD+转移到目标底物上，构建一个多聚ADP核糖（poly(ADP-ribose) , PAR）链(图1a)。PAR链的形成和清除发生在几乎所有的真核细胞中。图1 | PAR化、PAR 清除以及PARP1的结构（来源：Nature Reviews Drug Discovery）ADP-核糖化(ADP-ribosylation)是一种广泛存在于各种生理和病理过程的蛋白质翻译后修饰，指在酶的催化下将一个或多个ADP-核糖单元结合到蛋白质特定位点。PARP1是ADP核糖化酶超家族的第一个成员，该超家族由与PARP1具有同源性的蛋白质组成，现有17个成员，其中4个（ PARP1、PARP2、PARP5A和PARP5B）能够合成PAR链。家族中的大多数其他酶只能构建单个ADP核糖（ADP-ribose）单元，因此被归类为mono(ADP-ribosyl)ases（MARs），即，单ADP核糖化酶。自20世纪70年代以来，PARP生物学领域快速发展，迄今已有2万多篇文章发表。下图2总结了一些与PARP抑制剂发现以及分子作用机制描述相关的里程碑进展。早期的里程碑包括PAR的发现及其结构的阐明、PARP1催化PAR产生的发现。之后的研究描述了PARP1的纯化，揭示了PARP1与DNA修复有关。Parp1敲除小鼠的产生和表征对PARP2的发现起了重要作用，随后又鉴定出了PARP超家族的其他成员。图2 | 部分临床前PARP研究里程碑（来源：Nature Reviews Drug Discovery）在过去几年里，已有4款PARP抑制剂获监管机构批准上市，这类药物最显著的是用于治疗携带BRCA突变的卵巢癌和乳腺癌患者，但对于其它癌症以及非肿瘤疾病也显示出了治疗潜力。
知识卡：业界研发PARP抑制剂最初是希望通过阻断高度突变的癌细胞中的DNA损伤修复，从而导致“毒性损伤”的积累来发挥抗癌作用。由于健康细胞内存在多条修复DNA的信号通路，因此仅抑制PARP对其毒性不会太大；但对于某些肿瘤细胞，由于BRCA等特定基因突变会破坏其它DNA修复通路，因此会对PARP抑制剂格外敏感，这也是携带BRCA突变的卵巢癌和乳腺癌患者更容易获益于PARP抑制剂的原因。
据NextPharma数据库显示，目前全球有数十个PARP项目在研，是药物研发领域的热门方向之一。由于不断有研究揭示，PARP抑制剂除了阻断DNA损伤修复，还可通过免疫激活等新机制发挥作用，因此，科学家们对这类药物仍充满期待。注：适应证含已获批上市适应证以及在研适应证（来源：NextPharma）9月3日，来自英国纽卡斯尔大学和瑞士弗里堡大学的两位科学家在Nature Reviews Drug Discovery杂志上最新发表了题为“Poly(ADP-ribose) polymerase inhibition: past, present and future”的综述文章[1]，概述了在癌症和非肿瘤疾病中靶向PARP取得的进展，并着重介绍了该领域当前的挑战和新出现的机遇。文章还强调了靶向PARP家族其它成员的潜力，如PARP5A（也被称为tankyrase 1）、PARP5B（也被称为tankyrase 2）、PARP3和PARP7。作者们强调，该综述主要集中在PARP1抑制剂，因为该酶负责了大多数哺乳动物的PAR化（PARylation）。文中，“PARP”通常指PARP1，但当作者们讨论具有药理学作用的“PARP抑制剂”时，也包含抑制其它PARP亚型的药物。在20世纪90年代和21世纪初，PARP抑制剂主要被开发用于提高放疗和化疗的抗癌活性，图3a总结了PARP抑制剂在化疗增敏和放疗增敏中的分子作用模式。理论上，由化疗药物或电离辐射诱导的癌细胞DNA单链断裂(SSBs)可能会被PARP依赖性修复机制修复，从而导致肿瘤细胞得以生存，而联合PARP抑制剂有望阻止DNA修复，导致细胞死亡。不过，到目前为止，并没有PARP抑制剂被批准与化疗或放疗联用。图3 | PARP抑制剂抗癌作用背后的分子机制（来源：Nature Reviews Drug Discovery）2005年，PARP抑制剂在同源重组修复(HRR)缺陷的细胞中可导致合成致死的机制被发现（图3b），为利用这类药物治疗癌症带来了新的机会。发表在Nature杂志上的两篇重要论文首次确认了PARP抑制剂在BRCA突变细胞和肿瘤中的合成致死作用[2, 3]。这两项研究都表明，给予小鼠无毒剂量的PARP抑制剂能够缩小BRCA缺陷的异种移植物。这一发现不仅代表了一种新的癌症治疗范式，即利用肿瘤特异性缺陷来抗癌，也引发了业界研发PARP抑制剂用于癌症治疗的热潮。短短4年后，首份临床数据出炉：在携带BRCA的癌症患者中，PARP抑制剂（olaparib）显示出了抗癌活性。相关数据发表在顶级医学期刊NEJM杂志上[4]。表1 值得注意的是PARP抑制剂：从一代抑制剂到已获批的药物
来源：Nature Reviews Drug Discovery到目前为止，已有多款PARP抑制剂在临床试验中显示成功（表2），一些研究已经使得相关药物获监管机构批准上市，包括奥拉帕尼（olaparib，首个获批上市的PARP抑制剂）、鲁卡帕尼（rucaparib ）、尼拉帕尼 （niraparib ）以及他拉唑帕尼（talazoparib）。来源：Nature Reviews Drug Discovery除了已批准上市的4款PARP抑制剂，目前有多款候选药物正在开展临床研究。表3总结了正在进行的调查PARP抑制剂抗癌潜力的III期临床试验，涉及的分子包括帕米帕利（pamiparib）、氟唑帕利（Fluzoparib）和IMP4279等，既有单药治疗，也有联合用药（如联合细胞毒性抗癌药物、免疫检查点抑制剂）。表3 正在进行的调查PARP抑制剂抗癌潜力的III期临床试验
来源：Nature Reviews Drug Discovery
除了围绕抗癌取得的这些重要进展，以PAR积累增加为特征的PARP激活也已被证实与一系列病理条件有关，包括缺血、缺血-再灌注损伤、炎症、神经损伤、血管疾病和糖尿病。利用PARP抑制剂和Parp1敲除小鼠，科学家们发现，PARP激活在细胞功能障碍、器官功能障碍以及炎症和免疫反应失调中发挥了积极作用。因此，抑制PARP是一种治疗由这些条件导致的一系列疾病的潜在方法。早期研究表明，由活性氧诱导的过度DNA损伤导致的PARP超激活可导致细胞能量不足，诱导多种疾病中（包括脑卒中、心肌缺血-再灌注损伤和各种形式的危重疾病）的细胞坏死和器官功能障碍（图4a）。随后的研究揭示，PARP激活可通过多种其它机制来驱动病理状态。游离的PAR可以离开细胞核并扩散到多个细胞靶点，这一过程的后果之一是，线粒体释放凋亡诱导因子1（AIF），这又会反过来通过一种被称为“parthanatos”的独特细胞死亡形式诱导核DNA碎片化，而“parthanatos” 与脑卒中、神经炎症和神经退行性变的发病机制相关(图4b)。游离PAR还介导了其他病理生理过程。例如，在神经退行性过程中，PAR会与α-synuclein结合，使后者更具神经毒性。此外，细胞内和细胞外的PAR均可通过促进血管钙化驱动动脉粥样硬化(图4c)。图4 | PARP抑制剂治疗非肿瘤疾病的潜力（来源：Nature Reviews Drug Discovery）PARP还可调节不同信号通路的激活，包括核因子-κB通路和JUN amino-terminal激酶通路。对局部和全身炎症和自身免疫性疾病(关节炎和多发性硬化症)的多种疾病模型的研究表明，PARP抑制剂或PARP1缺乏能够抑制粘附分子（如ICAM1）、促炎细胞因子（如肿瘤坏死因子）和趋化因子（如巨噬细胞炎性蛋白1）的表达。在体内，细胞功能障碍和促炎信号过程可能会形成发病机制的正反馈循环(图4d)。同时，PARP通过调节染色质折叠来充当基因表达的总调节因子(图4e)，PARP1与多种表观遗传机制相互作用来调节基因表达，包括抑制DNA甲基转移酶DNMT1，进而抑制DNA甲基化(图4f)。此外，PARP激活和直接或间接的PAR化可以通过不利地调节各种激酶级联反应的活性来介导致病过程，包括那些由AKT/糖原合酶激酶3、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）和各种蛋白激酶C亚型介导的激酶级联反应。在许多心血管疾病模型中，具有药理作用的PARP抑制剂可诱导细胞保护性的AKT激活，这一作用是PARP抑制剂产生有益作用的基础。PARP1还可阻止ATM（ataxia telangiectasia mutated）与NEMO（nuclear factor-κB essential modulator）结合。而PARP1抑制剂可抑制ATM在细胞核区PAR化，允许ATM与NEMO形成复合物。该复合物的形成可激活AKT的磷酸化，进而通过诱导AKT调节的生存通路产生细胞保护性反应(图4g)。目前，有很多团队正在研究PARP抑制剂对非肿瘤疾病的治疗潜力。如表4所示，在包括脑卒中、神经损伤、急性肺损伤和循环性休克在内的多种实验性模型中开展的临床前研究都显示了已批准的PARP抑制剂更大的疾病治疗潜能。表4 在非肿瘤疾病模型中已获批PARP抑制剂显示的作用来源：Nature ReviewsDrug Discovery值得一提的是，除上述内容外，该综述还讨论了影响PARP抑制剂给药剂量的因素、PARP抑制剂耐药性的发展以及PARP家族其它成员（特别是PARP2、PARP5A和PARP5B）可作为靶点的可能性。在综述展望部分，作者们指出，PARP1/2抑制剂有望成为治疗某些癌症的主力，而关于PARP超家族其它成员不断积累的新发现可能会促进first-in-class的用于肿瘤和非肿瘤适应证的新候选药物的开发。在文章的最后，作者们再次呼吁开展PARP抑制剂针对非肿瘤适应证的临床试验，如危重症、急性肺损伤、肺纤维化和急性/慢性神经系统疾病。科学家们希望，PARP抑制剂可治疗多种不同疾病的潜能能够被充分发掘，为更多患者，尤其是缺乏有效治疗选择的患者，带来新的选择。
参考资料：
[1] Nicola J. Curtin, et al. Poly(ADP-ribose) polymerase inhibition: past, present and future. Nature Reviews Drug Discovery (2020).
[2]Bryant, H. E. et al. Specific killing of BRCA2-deficient tumours with inhibitors of poly(ADP-ribose)polymerase. Nature 434, 913–917 (2005).
[3]Farmer, H. et al. Targeting the DNA repair defect in BRCA mutant cells as a therapeutic strategy. Nature 434, 917–921 (2005).
[4] Fong, P. C. et al. Inhibition of poly(ADP-ribose) polymerase in tumors from BRCA mutation carriers. N.Engl. J. Med. 361, 123–134 (2009).
