近日，美國哈佛大學(xué)和明尼蘇達大學(xué)的研究人員針對腸道細菌毒素破壞雙鏈dNA的機制，在Science雜志上發(fā)表了題為“The human gut bacterial genotoxin colibactin alkylates DNA”的文章。

研究人員利用化學(xué)合成、小鼠實驗和基于非靶向質(zhì)譜測定的組學(xué)分析等技術(shù)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(xué)性質(zhì)和致癌活性提供了直接證據(jù)，為人直腸結(jié)腸癌（CRC）的臨床檢測提供了潛在的新型標(biāo)志物。

與CRC相關(guān)腸道大腸桿菌產(chǎn)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(fā)展相關(guān)，這些腸道微生物可通過產(chǎn)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(chǎn)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(dǎo)致細胞周期停滯和DNA雙鏈斷裂等。此外，在多個結(jié)腸炎相關(guān)的CRC小鼠模型中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生colibactin的E. coli會加速腫瘤進展，并且該現(xiàn)象在患有家族性腺瘤性息肉病和CRC的患者中也大量存在。盡管與癌癥有很強的關(guān)聯(lián)性，但由于活性基因毒性代謝物難以分離，限制了人們對這種關(guān)聯(lián)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(guān)于colibactin化學(xué)結(jié)構(gòu)的間接信息。對pks+ E. coli突變菌株代謝物的分離和結(jié)構(gòu)表征顯示，colibactin可能含有環(huán)丙烷環(huán)，它是DNA烷化類損傷試劑中的活性基團，因此研究人員假設(shè)colibactin通過環(huán)丙烷基團對DNA進行共價修飾。

為了獲得有關(guān)活性基因毒素的化學(xué)結(jié)構(gòu)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，并在結(jié)構(gòu)上進行表征。利用基于非靶向液質(zhì)聯(lián)用技術(shù)進行DNA加合物組學(xué)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(fā)現(xiàn)了2種腺嘌呤加合物，這些加合物只存在于接觸了pks+ E. coli的細胞中。通過同位素標(biāo)記的colibactin前體化合物飼喂試驗，證實了這些加合物與pks相關(guān)。當(dāng)人類細胞接觸了臨床分離的可產(chǎn)生colibactin的E. coli，或用pks+ E. coli處理小鼠的結(jié)腸上皮細胞后，都會檢測到上述加合物。通過結(jié)構(gòu)表征發(fā)現(xiàn)，加合物為2種非對映異構(gòu)體的混合物，且均含有連接了N3-取代腺嘌呤環(huán)的5-羥基-2-吡咯烷酮結(jié)構(gòu)。經(jīng)過分析，這些DNA加合物是通過環(huán)丙烷基團開環(huán)加成產(chǎn)生的。由于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(lián)復(fù)合物，經(jīng)過結(jié)構(gòu)表征證實了它們是由較大的、不穩(wěn)定的交聯(lián)復(fù)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(chǎn)生DNA加合物的能力增強了colibactin對癌癥發(fā)展的促進作用；龐大的鏈間交聯(lián)加合物具有細胞毒性，如果不能精確修復(fù)則會導(dǎo)致突變。因此，Colibactin介導(dǎo)的DNA損傷和由此引起的基因組不穩(wěn)定性可能是結(jié)腸直腸癌發(fā)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(nèi)對雙鏈DNA的烷基化過程，為colibactin導(dǎo)致CRC的研究提供了理論基礎(chǔ)。