Knækning af colibactins kode:Undersøgelse undersøger, hvordan sammensatte beskadigede DNA for at forstå dets forbindelse til kræft

I mere end et årti, forskere har arbejdet på at forstå sammenhængen mellem colibactin, en forbindelse fremstillet af visse stammer af E coli , og tyktarmskræft, men er blevet hæmmet af deres manglende evne til at isolere forbindelsen.

Så Emily Balskus besluttede i stedet at fokusere på det rod, det efterlader.

Professor i kemi og kemisk biologi, Balskus og kolleger er forfatterne til en ny undersøgelse, der søger at forstå, hvordan colibactin forårsager kræft ved præcist at identificere, hvordan kemikaliet reagerer med DNA for at skabe DNA-addukter. Undersøgelsen er beskrevet i et papir den 15. februar offentliggjort i Videnskab .

"Det har været kendt siden 2006, at der er et sæt gener i visse tarmkommensale bakterier - for det meste i stammer af E coli - som giver dem evnen til at lave molekyler, der kan føre til DNA-skader, " sagde Balskus. "I årenes løb, der har været en række undersøgelser, der har vist en sammenhæng mellem mængden af ​​bakterier, der bærer denne vej, og kræft hos mennesker, og flere musemodeller af colitis-associeret kolorektal cancer har vist, at dette specifikke sæt af gener... kan påvirke tumorprogression og invasivitet."

Desværre, forbindelsen skabt gennem denne vej - colibactin - har hidtil undgået forsøg på at isolere det, efterlader forskerne i mørket om, hvordan det fungerer.

"Mit laboratorium begyndte at studere dette, fordi vi var interesserede i dette problem om, hvordan du kan forstå et molekyle, du ikke kan isolere, " sagde Balskus. "Og opsummeringen af ​​vores tidligere arbejde for at forstå colibactin var, at uventet, vi og andre grupper, der arbejdede på denne vej, fandt ud af, at dette naturlige produkt har det, der kaldes en cyclopropanring i sig."

Det er den kemiske struktur, som Balskus og kolleger mener, danner colibactin-sprænghovedet - delvis fordi lignende strukturer findes i andre, ubeslægtede molekyler, der er i stand til at forårsage direkte DNA-skade ved at reagere med det.

"Da vi indså det, vi antog, at en direkte interaktion med DNA kan være vigtig for colibactins genotoksiske aktivitet, " sagde Balskus. "Det belyste en ny strategi for at få information om colibactins struktur - i stedet for at forsøge at isolere selve molekylet, vi kunne isolere og karakterisere DNA-addukterne, eller produkterne af reaktionen med DNA."

Isolering af disse DNA-addukter, imidlertid, er ikke nogen nem bedrift.

At gøre det, Balskus og hendes team henvendte sig til Silvia Balbo, en professor ved University of Minnesota School of Public Health, som udviklede en ny teknik til at identificere DNA-addukter baseret på, hvordan de fragmenteres i et højopløsningsmassespektrometer.

"Hvad vi gjorde, som jeg syntes var et meget spændende eksperiment, var til at tage en belastning af E coli der kunne producere colibactin og en mutantstamme med samme genotype, bortset fra at det ikke havde genklyngen, der laver colibactin, " sagde Balskus. "Vi inkuberede disse stammer med humane cellelinjer... og isolerede DNA'et fra begge sæt celler, anbring det i massespektrometeret og sammenlignede mængden af ​​forskellige DNA-addukter i prøverne, så vi var i stand til at finde DNA-addukter, der kun blev dannet i de celler, der blev behandlet med de genotoksin-producerende bakterier."

Bevæbnet med den information, Balskus sagde, deres næste udfordring var at forstå den kemiske struktur af disse addukter.

"Det så ud som om de kom fra colibactin baseret på fragmenteringen i massespektrometeret, men det er ikke nok til at løse en kemisk struktur, " sagde Balskus. "Hvad forskere i mit laboratorium gjorde, og det var en heroisk indsats, var at kemisk syntetisere en standard... og så sammenlignede vi den med addukterne produceret i cellerne, og de var de samme."

For at demonstrere, at processen også virkede hos levende dyr, holdet samarbejdede med Wendy Garrett på Harvard T.H. Chan School of Public Health, at gennemføre et eksperiment, hvor bakteriefri mus blev koloniseret med stammer af E coli som kunne og ikke kunne producere colibactin.

"Vi viste, at vi var i stand til at påvise de samme DNA-addukter i tyktarmsepitelvævet hos musene med de colibactin-producerende stammer, " sagde Balskus. "Det fortæller os, at al den kemi, som vi og andre har lavet ex vivo, virkelig kan være relevant for, hvad der foregår in vivo."

Fremadrettet, Balskus håber at undersøge, om de samme addukter kan påvises i prøver fra patienter, og at forstå de specifikke typer af DNA-skader forårsaget af colibactin, og om de påvirker kræftudviklingen.

Og nu hvor forskerne har en god forståelse af den kemiske struktur af DNA-addukter skabt af colibactin, Balskus sagde, de kan muligvis arbejde baglæns mod selve molekylet.

"De addukter, vi identificerede, kommer højst sandsynligt fra nedbrydning af en større art, " sagde Balskus. "Så vi forsøger stadig at løse dette kemiske mysterium og arbejder på at finde ud af, hvad den fulde struktur kan være."

Til sidst, Balskus sagde, resultaterne tyder også på, at DNA-addukter kunne bruges som en nøglebiomarkør for aktiviteten af ​​forbindelser som colibactin og andre potentielle kræftfremkaldende stoffer, der stammer fra aktiviteten af ​​tarmmikrober.

"Hidtil har da folk ledte efter organismer med evnen til at lave disse DNA-skadelige forbindelser, de ledte efter de biosyntetiske gener, " sagde Balskus. "Det fortæller dig om det genetiske potentiale, men det fortæller dig ikke, at der faktisk er sket DNA-skade, og vi ved fra andre områder af toksikologien, at hvis du har gode biomarkører til at forudsige carcinogenese, det kan være stærkt, når man tænker på at vurdere kræftrisici.

"Det er stadig meget tidligt, men det er et område, hvor vores arbejde potentielt kan føre til, " fortsatte hun. "Det er stadig for tidligt at vide, om colibactin spiller en årsagsrolle i tumorudvikling hos mennesker, but we would like to have better ways of monitoring colon cancer susceptibility."