新研究旨在了解colibactin如何导致癌症

十多年来，科学家们一直致力于了解colibactin(一种由某些大肠杆菌菌株产生的化合物)与结直肠癌之间的联系，但由于无法分离这种化合物而受到阻碍。所以Emily Balskus决定专注于它留下的烂摊子。

巴尔斯库斯及其同事是化学和化学生物学教授，他们是一项新研究的作者，该研究旨在通过精确识别化学物质如何与DNA反应产生DNA加合物来了解colibactin如何导致癌症。这项研究发表在2月15日发表在“ 科学”杂志上的论文中。

“自2006年以来，人们就知道在某些肠道共生细菌中存在一系列基因 - 主要是在大肠杆菌菌株中 - 使它们能够制造可导致DNA损伤的分子，”Balskus说。“多年来，有许多研究显示携带这种途径的细菌丰度与人类癌症之间存在相关性，并且结肠炎相关结肠直肠癌的多种小鼠模型已经证明了这一特定的基因组合。 .can可以影响肿瘤的进展和侵袭性。“

不幸的是，通过该途径产生的化合物 - colibactin - 到目前为止还没有找到隔离它的努力，让研究人员不知道它是如何工作的。

“我的实验室开始研究这个，因为我们对如何理解你无法分离的分子的问题感兴趣，”Balskus说。“我们早期了解colibactin的工作的总结是，出乎意料的是，我们和其他从事该途径工作的团体发现，这种天然产物中含有所谓的环丙烷环。”

正是Balskus及其同事认为形成colibactin“弹头”的化学结构 - 部分原因是在其他无关的分子中发现了类似的结构，这些分子能够通过与其反应直接造成DNA损伤。

“当我们意识到这一点时，我们假设与DNA的直接相互作用对于colibactin的基因毒性活动可能很重要，”Balskus说。“这为获取有关colibactin结构的信息提供了新的策略 - 我们可以分离和表征DNA加合物或与DNA反应的产物，而不是试图分离出分子本身。”

然而，分离这些DNA加合物并非易事。

为此，Balskus和她的团队求助于明尼苏达大学公共卫生学院教授Silvia Balbo，他开发了一种新技术，根据它们在高分辨率质谱仪中的碎片来识别DNA加合物。

“我们所做的，我认为这是一个非常令人兴奋的实验，是采取一种大肠杆菌菌株，可以产生colibactin和具有相同基因型的突变菌株，除了它没有产生colibactin的基因簇，”巴尔斯库斯说。“我们将这些菌株与人类细胞系一起培养......并从两组细胞中分离出DNA，将其放入质谱仪中，并比较样品中不同DNA加合物的丰度，这样我们就能找到DNA加合物。仅在用产生基因毒素的细菌处理的细胞中产生。“

有了这些信息，巴尔斯库斯说，他们的下一个挑战是了解这些加合物的化学结构。

“看起来它们来自colibactin基于质谱仪中的碎片，但这还不足以解决化学结构，”Balskus说。“我实验室的研究人员做了一件英勇的努力，就是化学合成一种标准......然后我们将它与细胞中产生的加合物进行比较，它们是相同的。”

为了证明该过程也在活体动物身上发挥作用，该团队与哈佛大学陈氏公共卫生学院的Wendy Garrett合作进行了一项实验，在该实验中，无菌小鼠被大肠杆菌菌落定殖，可以和不能产生colibactin。

“我们发现我们能够在产生colibactin的菌株的小鼠结肠上皮组织中检测到这些相同的DNA加合物，”Balskus说。“这告诉我们，我们和其他人体外进行的所有化学实验都可能与体内正在发生的事情有关。”

展望未来，Balskus希望研究是否可以在患者样本中检测到这些相同的加合物，并了解colibactin引起的DNA损伤的具体类型以及它们是否会影响癌症的发展。

现在，研究人员对colibactin产生的DNA加合物的化学结构有了很好的了解，Balskus说，他们可能能够向后向分子本身工作。

“我们发现的加合物很可能来自较大物种的分解，”Balskus说。“所以我们仍在努力解决这个化学谜团，并努力弄清楚整个结构可能是什么。”

最后，Balskus说，研究结果还表明，DNA加合物可以作为化合物活性的关键生物标志物，如colibactin和其他来自肠道微生物活性的潜在致癌物质。

“到目前为止，当人们正在寻找能够制造这些DNA破坏性化合物的生物时，他们正在寻找生物合成基因，”Balskus说。“这告诉你遗传潜力，但它没有告诉你实际上已经发生了DNA损伤，我们从毒理学的其他领域知道，如果你有预测致癌作用的良好生物标志物，那么在考虑评估癌症时这可能是有力的风险。

“现在还很早，但这是我们工作可能带来的一个领域，”她继续道。“要知道colibactin是否在人类肿瘤发展中起着因果作用还为时尚早，但我们希望有更好的方法来监测结肠癌的易感性。”