科学家发现人类肠道微生物所产基因毒素对DNA的破坏机制

近日，美国哈佛大学和明尼苏达大学的研究人员针对肠道细菌毒素破坏双链dNA的机制，在Science杂志上发表了题为“The human gut bacterial genotoxin colibactin alkylates DNA”的文章。他们利用化学合成、小鼠实验和基于非靶向质谱测定的组学分析等技术手段，研究了大肠杆菌素（colibactin）对人类活细胞中DNA的破坏机制，为colibactin的化学性质和致癌活性提供了直接证据，为人直肠结肠癌（CRC）的临床检测提供了潜在的新型标志物。

与CRC相关肠道大肠杆菌产生的DNA烷基化基因毒素

研究表明，人肠道微生物群的部分成员与CRC的发展相关，这些肠道微生物可通过产生基因毒素等多种机制致癌。Colibactin是由含有pks基因组岛的微生物合成的具有基因毒性的次级代谢产物，这些微生物包括某些肠道共生的大肠杆菌（Escherichia coli）。用pks+ E. coli瞬时感染哺乳动物细胞会导致细胞周期停滞和DNA双链断裂等。此外，在多个结肠炎相关的CRC小鼠模型中发现产生colibactin的E. coli会加速肿瘤进展，并且该现象在患有家族性腺瘤性息肉病和CRC的患者中也大量存在。尽管与癌症有很强的关联性，但由于活性基因毒性代谢物难以分离，限制了人们对这种关联机制的理解。

在过去十年中，研究人员通过多种互补方法研究了关于colibactin化学结构的间接信息。对pks+ E. coli突变菌株代谢物的分离和结构表征显示，colibactin可能含有环丙烷环，它是DNA烷化类损伤试剂中的活性基团，因此研究人员假设colibactin通过环丙烷基团对DNA进行共价修饰。

为了获得有关活性基因毒素的化学结构及其作用方式的信息，研究人员对感染了pks+ E. coli的人类细胞中的colibactin-DNA加合物进行鉴定，并在结构上进行表征。利用基于非靶向液质联用技术进行DNA加合物组学分析，通过对比短暂感染pks+或pks- E. coli的哺乳动物细胞系中的DNA加合物，发现了2种腺嘌呤加合物，这些加合物只存在于接触了pks+ E. coli的细胞中。通过同位素标记的colibactin前体化合物饲喂试验，证实了这些加合物与pks相关。当人类细胞接触了临床分离的可产生colibactin的E. coli，或用pks+ E. coli处理小鼠的结肠上皮细胞后，都会检测到上述加合物。通过结构表征发现，加合物为2种非对映异构体的混合物，且均含有连接了N3-取代腺嘌呤环的5-羟基-2-吡咯烷酮结构。经过分析，这些DNA加合物是通过环丙烷基团开环加成产生的。由于加合物太小而无法获得，研究人员通过CometChip分析，在感染pks+ E. coli的细胞中，检测到了colibactin-DNA链间交联复合物，经过结构表征证实了它们是由较大的、不稳定的交联复合物分解而来。

Colibactin DNA烷基化和DNA加合物形成的模型

此外，pks+ E. coli在哺乳动物细胞和小鼠中产生DNA加合物的能力增强了colibactin对癌症发展的促进作用；庞大的链间交联加合物具有细胞毒性，如果不能精确修复则会导致突变。因此，Colibactin介导的DNA损伤和由此引起的基因组不稳定性可能是结肠直肠癌发生的潜在原因。该研究直接证明了肠道细菌基因毒素colibactin在体内对双链DNA的烷基化过程，为colibactin导致CRC的研究提供了理论基础。（编译自Science, Published: 15 February 2019）