科學家發現人類腸道微生物所產基因毒素對DNA的破壞機制

近日，美國哈佛大學和明尼蘇達大學的研究人員針對腸道細菌毒素破壞雙鏈dNA的機制，在Science雜誌上發表了題為「The human gut bacterial genotoxin colibactin alkylates DNA」的文章。

研究人員利用化學合成、小鼠實驗和基於非靶向質譜測定的組學分析等技術手段，研究了大腸桿菌素（colibactin）對人類活細胞中DNA的破壞機制，為colibactin的化學性質和致癌活性提供了直接證據，為人直腸結腸癌（CRC）的臨床檢測提供了潛在的新型標誌物。

與CRC相關腸道大腸桿菌產生的DNA烷基化基因毒素

研究表明，人腸道微生物群的部分成員與CRC的發展相關，這些腸道微生物可通過產生基因毒素等多種機制致癌。Colibactin是由含有pks基因組島的微生物合成的具有基因毒性的次級代謝產物，這些微生物包括某些腸道共生的大腸桿菌（Escherichia coli）。用pks+ E. coli瞬時感染哺乳動物細胞會導致細胞周期停滯和DNA雙鏈斷裂等。此外，在多個結腸炎相關的CRC小鼠模型中發現產生colibactin的E. coli會加速腫瘤進展，並且該現象在患有家族性腺瘤性息肉病和CRC的患者中也大量存在。儘管與癌症有很強的關聯性，但由於活性基因毒性代謝物難以分離，限制了人們對這種關聯機制的理解。

在過去十年中，研究人員通過多種互補方法研究了關於colibactin化學結構的間接信息。對pks+ E. coli突變菌株代謝物的分離和結構表徵顯示，colibactin可能含有環丙烷環，它是DNA烷化類損傷試劑中的活性基團，因此研究人員假設colibactin通過環丙烷基團對DNA進行共價修飾。

為了獲得有關活性基因毒素的化學結構及其作用方式的信息，研究人員對感染了pks+ E. coli的人類細胞中的colibactin-DNA加合物進行鑒定，並在結構上進行表徵。利用基於非靶向液質聯用技術進行DNA加合物組學分析，通過對比短暫感染pks+或pks- E. coli的哺乳動物細胞系中的DNA加合物，發現了2種腺嘌呤加合物，這些加合物只存在於接觸了pks+ E. coli的細胞中。通過同位素標記的colibactin前體化合物飼餵試驗，證實了這些加合物與pks相關。當人類細胞接觸了臨床分離的可產生colibactin的E. coli，或用pks+ E. coli處理小鼠的結腸上皮細胞後，都會檢測到上述加合物。通過結構表徵發現，加合物為2種非對映異構體的混合物，且均含有連接了N3-取代腺嘌呤環的5-羥基-2-吡咯烷酮結構。經過分析，這些DNA加合物是通過環丙烷基團開環加成產生的。由於加合物太小而無法獲得，研究人員通過CometChip分析，在感染pks+ E. coli的細胞中，檢測到了colibactin-DNA鏈間交聯複合物，經過結構表徵證實了它們是由較大的、不穩定的交聯複合物分解而來。

Colibactin DNA烷基化和DNA加合物形成的模型

此外，pks+ E. coli在哺乳動物細胞和小鼠中產生DNA加合物的能力增強了colibactin對癌症發展的促進作用；龐大的鏈間交聯加合物具有細胞毒性，如果不能精確修復則會導致突變。因此，Colibactin介導的DNA損傷和由此引起的基因組不穩定性可能是結腸直腸癌發生的潛在原因。該研究直接證明了腸道細菌基因毒素colibactin在體內對雙鏈DNA的烷基化過程，為colibactin導致CRC的研究提供了理論基礎。