Dechifrering af hemmeligheder af potente DNA-toksiner

Et af de mest potente toksiner, der er kendt, virker ved at svejse de to strenge af den berømte dobbelthelix sammen på en unik måde, som forhindrer de standardreparationsmekanismer, celler bruger til at beskytte deres DNA.

Et team af forskere fra Vanderbilt University har udarbejdet de molekylære detaljer, der forklarer, hvordan dette bakterielle toksin - yatakemycin (YTM) - forhindrer DNA-replikation. Deres resultater, beskrevet i et papir offentliggjort online 24. juli af Naturens kemiske biologi , forklare YTM's ekstraordinære toksicitet og kunne bruges til at finjustere forbindelsens imponerende antimikrobielle og svampedræbende egenskaber.

YTM produceres af nogle medlemmer af Streptomyces-familien af ​​jordbakterier for at dræbe konkurrerende bakteriestammer. Det tilhører en klasse af bakterielle forbindelser, der i øjeblikket testes for cancerkemoterapi, fordi deres toksicitet er ekstremt effektiv mod tumorceller.

"I fortiden, vi har tænkt på DNA-reparation i form af at beskytte DNA mod forskellige slags kemiske fornærmelser, " sagde professor i biologiske videnskaber Brandt Eichman. "Nu, toksiner som YTM tvinger os til at overveje deres rolle som en del af den igangværende kemiske krigsførelse, der eksisterer blandt bakterier, som kan have vigtige bivirkninger på menneskers sundhed. "

Celler har udviklet flere grundlæggende typer af DNA-reparation, herunder baseudskæringsreparation (BER) og nukleotidudskæringsreparation (NER). BER retter normalt små læsioner og NER fjerner store, omfangsrige læsioner.

En række DNA-toksiner skaber omfangsrige læsioner, der destabiliserer den dobbelte helix. Imidlertid, nogle af de mest giftige læsioner binder til begge DNA-strenge, derved forhindrer cellens omfattende replikationsmaskineri i at adskille DNA-strengene, så de kan kopieres. Normalt, dette forvrænger DNA's struktur, som gør det muligt for NER-enzymer at lokalisere læsionen og udskære den.

"YTM er anderledes, " sagde postdoc Elwood Mullins. "I stedet for at binde sig til DNA med flere stærke kovalente bindinger, det danner en enkelt kovalent binding og et stort antal svagere, polære interaktioner. Som resultat, det stabiliserer DNA'et i stedet for at destabilisere det, og det gør det uden at forvrænge DNA-strukturen, så NER-enzymer ikke kan finde det."

"Vi var chokerede over, hvor meget det stabiliserer DNA, " tilføjede Eichman. "Normalt, DNA-strengene, som vi brugte i vores eksperimenter, adskilles, når de opvarmes til omkring 40 grader [Celsius], men, med YTM tilføjet, de går ikke fra hinanden før 85 grader."

Streptomyces -bakterierne, der producerer YTM, har også udviklet et specielt enzym for at beskytte deres eget DNA mod toksinet. Overraskende nok, dette er et baseudskæringsreparationsenzym - kaldet en DNA-glycosylase - som normalt er begrænset til at reparere små læsioner, ikke de omfangsrige addukter forårsaget af YTM. Alligevel, undersøgelser har vist, at det er ekstremt effektivt.

Det sker sådan, at en af ​​Streptomyces' konkurrenter, Bacillus cereus, har formået at co-optere det gen, der producerer netop dette enzym. I Bacillus, imidlertid, enzymet det producerer - kaldet AlkD - giver kun begrænset beskyttelse.

I 2015 Eichman og Mullins rapporterede, at i modsætning til andre BER -enzymer, AlkD kan detektere og fjerne YTM-læsioner. På det tidspunkt, de havde ingen idé om, hvorfor det ikke var så effektivt som dets Streptomyces-modstykke. Nu gør de det. Det viser sig, at AlkD binder det produkt, det danner fra en YTM-læsion, tæt, hæmme de nedstrømstrin i BER-processen, der er nødvendige for fuldt ud at returnere DNA'et til dets oprindelige, ubeskadiget tilstand. Dette reducerer effektiviteten af ​​reparationsprocessen som helhed drastisk.

I de seneste år, biologer har opdaget, at dyr og planter er vært for tusinder af forskellige arter af kommensale bakterier og dette mikroskopiske samfund, kaldet mikrobiom, spiller en overraskende vigtig rolle for deres sundhed og velvære. Normalt, disse bakterier er gavnlige - f.eks. konvertere ufordøjelige fødevarer til fordøjelige former - men de kan også forårsage problemer, såsom mavebakterierne Heliobacter pylori, der kan forårsage betændelse, der producerer sår.

"Vi ved, at bakterier producerer forbindelser som YTM, når de er under stress, "Eichman observerede." De negative virkninger, dette har på deres værter, er en uheldig bivirkning. Så det er meget vigtigt, at vi lærer så meget som muligt om, hvordan disse bakterielle toksiner virker, og hvordan bakterier forsvarer sig mod dem."