十多年來，科學(xué)家們一直致力于了解colibactin(一種由某些大腸桿菌菌株產(chǎn)生的化合物)與結(jié)直腸癌之間的聯(lián)系，但由于無法分離這種化合物而受到阻礙。所以Emily Balskus決定專注于它留下的爛攤子。

巴爾斯庫斯及其同事是化學(xué)和化學(xué)生物學(xué)教授，他們是一項新研究的作者，該研究旨在通過精確識別化學(xué)物質(zhì)如何與DNA反應(yīng)產(chǎn)生DNA加合物來了解colibactin如何導(dǎo)致癌癥。這項研究發(fā)表在2月15日發(fā)表在“ 科學(xué)”雜志上的論文中。

“自2006年以來，人們就知道在某些腸道共生細(xì)菌中存在一系列基因 - 主要是在大腸桿菌菌株中 - 使它們能夠制造可導(dǎo)致DNA損傷的分子，”Balskus說。“多年來，有許多研究顯示攜帶這種途徑的細(xì)菌豐度與人類癌癥之間存在相關(guān)性，并且結(jié)腸炎相關(guān)結(jié)腸直腸癌的多種小鼠模型已經(jīng)證明了這一特定的基因組合。 .can可以影響腫瘤的進(jìn)展和侵襲性。“

不幸的是，通過該途徑產(chǎn)生的化合物 - colibactin - 到目前為止還沒有找到隔離它的努力，讓研究人員不知道它是如何工作的。

“我的實驗室開始研究這個，因為我們對如何理解你無法分離的分子的問題感興趣，”Balskus說。“我們早期了解colibactin的工作的總結(jié)是，出乎意料的是，我們和其他從事該途徑工作的團(tuán)體發(fā)現(xiàn)，這種天然產(chǎn)物中含有所謂的環(huán)丙烷環(huán)。”

正是Balskus及其同事認(rèn)為形成colibactin“彈頭”的化學(xué)結(jié)構(gòu) - 部分原因是在其他無關(guān)的分子中發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)構(gòu)，這些分子能夠通過與其反應(yīng)直接造成DNA損傷。

“當(dāng)我們意識到這一點時，我們假設(shè)與DNA的直接相互作用對于colibactin的基因毒性活動可能很重要，”Balskus說。“這為獲取有關(guān)colibactin結(jié)構(gòu)的信息提供了新的策略 - 我們可以分離和表征DNA加合物或與DNA反應(yīng)的產(chǎn)物，而不是試圖分離出分子本身。”

然而，分離這些DNA加合物并非易事。

為此，Balskus和她的團(tuán)隊求助于明尼蘇達(dá)大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院教授Silvia Balbo，他開發(fā)了一種新技術(shù)，根據(jù)它們在高分辨率質(zhì)譜儀中的碎片來識別DNA加合物。

“我們所做的，我認(rèn)為這是一個非常令人興奮的實驗，是采取一種大腸桿菌菌株，可以產(chǎn)生colibactin和具有相同基因型的突變菌株，除了它沒有產(chǎn)生colibactin的基因簇，”巴爾斯庫斯說。“我們將這些菌株與人類細(xì)胞系一起培養(yǎng)......并從兩組細(xì)胞中分離出DNA，將其放入質(zhì)譜儀中，并比較樣品中不同DNA加合物的豐度，這樣我們就能找到DNA加合物。僅在用產(chǎn)生基因毒素的細(xì)菌處理的細(xì)胞中產(chǎn)生。“

有了這些信息，巴爾斯庫斯說，他們的下一個挑戰(zhàn)是了解這些加合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)。

“看起來它們來自colibactin基于質(zhì)譜儀中的碎片，但這還不足以解決化學(xué)結(jié)構(gòu)，”Balskus說。“我實驗室的研究人員做了一件英勇的努力，就是化學(xué)合成一種標(biāo)準(zhǔn)......然后我們將它與細(xì)胞中產(chǎn)生的加合物進(jìn)行比較，它們是相同的。”

為了證明該過程也在活體動物身上發(fā)揮作用，該團(tuán)隊與哈佛大學(xué)陳氏公共衛(wèi)生學(xué)院的Wendy Garrett合作進(jìn)行了一項實驗，在該實驗中，無菌小鼠被大腸桿菌菌落定殖，可以和不能產(chǎn)生colibactin。

“我們發(fā)現(xiàn)我們能夠在產(chǎn)生colibactin的菌株的小鼠結(jié)腸上皮組織中檢測到這些相同的DNA加合物，”Balskus說。“這告訴我們，我們和其他人體外進(jìn)行的所有化學(xué)實驗都可能與體內(nèi)正在發(fā)生的事情有關(guān)。”

展望未來，Balskus希望研究是否可以在患者樣本中檢測到這些相同的加合物，并了解colibactin引起的DNA損傷的具體類型以及它們是否會影響癌癥的發(fā)展。

現(xiàn)在，研究人員對colibactin產(chǎn)生的DNA加合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)有了很好的了解，Balskus說，他們可能能夠向后向分子本身工作。

“我們發(fā)現(xiàn)的加合物很可能來自較大物種的分解，”Balskus說。“所以我們?nèi)栽谂鉀Q這個化學(xué)謎團(tuán)，并努力弄清楚整個結(jié)構(gòu)可能是什么。”

最后，Balskus說，研究結(jié)果還表明，DNA加合物可以作為化合物活性的關(guān)鍵生物標(biāo)志物，如colibactin和其他來自腸道微生物活性的潛在致癌物質(zhì)。

“到目前為止，當(dāng)人們正在尋找能夠制造這些DNA破壞性化合物的生物時，他們正在尋找生物合成基因，”Balskus說。“這告訴你遺傳潛力，但它沒有告訴你實際上已經(jīng)發(fā)生了DNA損傷，我們從毒理學(xué)的其他領(lǐng)域知道，如果你有預(yù)測致癌作用的良好生物標(biāo)志物，那么在考慮評估癌癥時這可能是有力的風(fēng)險。

“現(xiàn)在還很早，但這是我們工作可能帶來的一個領(lǐng)域，”她繼續(xù)道。“要知道colibactin是否在人類腫瘤發(fā)展中起著因果作用還為時尚早，但我們希望有更好的方法來監(jiān)測結(jié)腸癌的易感性。”