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这些加合物只存在于接触了pks+E.coli的细胞中,研究人类DNA修复双氧酶结晶结构

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。图片 1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。图片 2Colibactin
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:
15February2019)

图片 3

研究人类DNA修复双氧酶结晶结构
来自北京大学、中科院上海药物研究所、芝加哥大学等处的研究人员发表了题为Duplex
interrogation by a direct DNA repair protein in search of base
damage的文章,解析了人类DNA修复双氧酶ALKBH2的结晶结构,以及分子机制,相关成果公布在Nature
Structural Molecular
Biology杂志上。芝加哥大学的华裔科学家何川教授和中科院上海药物研究所的杨财广研究员为该篇文章的共同通讯作者。北京大学的伊成器博士为该论文第一作者。DNA烷化剂可将特殊的化学基团添加到DNA上导致DNA烷基化损伤,从而破坏DNA复制和转录,触发细胞周期检查点和/或启动细胞凋亡。如果得不到及时或正确修复,一些损伤就可能导致细胞毒性和/或诱变。在大肠杆菌中,烷基化修复蛋白B(AlkB)可通过消除1-甲基腺嘌呤(1-meA)和3-甲基胞嘧啶(3-meC)来修复DNA烷基化损伤。近来有研究证实哺乳动物AlkB同源物ALKBH2也具有与AlkB相似的DNA修复活性。在这篇文章中,研究人员显示了与不同双链DNA结合人类ALKBH2的晶体结构。结合计算机和生物化学分析方法,发现了ALKBH2检测DNA有两个重要的特点:第一,ALKBH2会探查碱基对的稳定性,检测出稳定性下降的碱基对;第二,ALKBH2没有也不需要损伤检测位点,这对于防止几种DNA糖苷酶导致的虚假碱基裂解至关重要。进一步的研究表明ALKBH2的去甲基化作用机制确保了只有相应的损伤被氧化和逆转为正常碱基,倒转的非底物碱基仍可完整的保留于活性位点。上述结果表明双链检测和氧化化学作用确保了ALKBH2能够高效准确地检测和处理各种损伤。这是近期中科院上海药物研究所与芝加哥大学何川教授课题组开展合作研究取得的又一项重大研究成果。不久前,何川教授还与中科院上海药物研究所的蒋华良课题组合作,针对胸腺嘧啶DNA糖苷化酶及细菌转录因子AgrA在表观遗传与转录调控中的作用开展研究,研究论文分别在线发表在《自然化学生物学》及美国《国家科学院院刊》上。更多阅读《自然结构与分子生物学》发表论文摘要特别声明:本文转载仅仅是出于传播信息的需要,并不意味着代表本网站观点或证实其内容的真实性;如其他媒体、网站或个人从本网站转载使用,须保留本网站注明的来源,并自负版权等法律责任;作者如果不希望被转载或者联系转载稿费等事宜,请与我们接洽。

十多年来,科学家们一直致力于了解colibactin(一种由某些大肠杆菌菌株产生的化合物)与结直肠癌之间的联系,但由于无法分离这种化合物而受到阻碍。

所以Emily Balskus决定专注于它留下的烂摊子。

巴尔斯库斯及其同事是化学和化学生物学教授,他们是一项新研究的作者,该研究旨在通过精确识别化学物质如何与DNA反应产生DNA加合物来了解colibactin如何导致癌症。这项研究发表在2月15日发表在科学杂志上的论文中。

自2006年以来,人们就知道在某些肠道共生细菌中存在一系列基因 –
主要是在大肠杆菌菌株中-
使它们能够制造可导致DNA损伤的分子,Balskus说。多年来,有许多研究显示携带这种途径的细菌丰度与人类癌症之间存在相关性,并且结肠炎相关结肠直肠癌的多种小鼠模型已经证明了这一特定的基因组合。
.can可以影响肿瘤的进展和侵袭性。

不幸的是,通过该途径产生的化合物 – colibactin –
到目前为止还没有找到隔离它的努力,让研究人员不知道它是如何工作的。

我的实验室开始研究这个,因为我们对如何理解你无法分离的分子的问题感兴趣,Balskus说。我们早期了解colibactin的工作的总结是,出乎意料的是,我们和其他从事该途径工作的团体发现,这种天然产物中含有所谓的环丙烷环。

正是Balskus及其同事认为形成colibactin弹头的化学结构 –
部分原因是在其他无关的分子中发现了类似的结构,这些分子能够通过与其反应直接造成DNA损伤。

当我们意识到这一点时,我们假设与DNA的直接相互作用对于colibactin的基因毒性活动可能很重要,Balskus说。这为获取有关colibactin结构的信息提供了新的策略

我们可以分离和表征DNA加合物或与DNA反应的产物,而不是试图分离出分子本身。

然而,分离这些DNA加合物并非易事。

为此,Balskus和她的团队求助于明尼苏达大学公共卫生学院教授Silvia
Balbo,他开发了一种新技术,根据它们在高分辨率质谱仪中的碎片来识别DNA加合物。

我们所做的,我认为这是一个非常令人兴奋的实验,是采取一种大肠杆菌菌株,可以产生colibactin和具有相同基因型的突变菌株,除了它没有产生colibactin的基因簇,巴尔斯库斯说。我们将这些菌株与人类细胞系一起培养……并从两组细胞中分离出DNA,将其放入质谱仪中,并比较样品中不同DNA加合物的丰度,这样我们就能找到DNA加合物。仅在用产生基因毒素的细菌处理的细胞中产生。

有了这些信息,巴尔斯库斯说,他们的下一个挑战是了解这些加合物的化学结构。

看起来它们来自colibactin基于质谱仪中的碎片,但这还不足以解决化学结构,Balskus说。我实验室的研究人员做了一件英勇的努力,就是化学合成一种标准……然后我们将它与细胞中产生的加合物进行比较,它们是相同的。

为了证明该过程也在活体动物身上发挥作用,该团队与哈佛大学陈氏公共卫生学院的Wendy
Garrett合作进行了一项实验,在该实验中,无菌小鼠被大肠杆菌菌落定殖,可以和不能产生colibactin。

我们发现我们能够在产生colibactin的菌株的小鼠结肠上皮组织中检测到这些相同的DNA加合物,Balskus说。这告诉我们,我们和其他人体外进行的所有化学实验都可能与体内正在发生的事情有关。

展望未来,Balskus希望研究是否可以在患者样本中检测到这些相同的加合物,并了解colibactin引起的DNA损伤的具体类型以及它们是否会影响癌症的发展。

现在,研究人员对colibactin产生的DNA加合物的化学结构有了很好的了解,Balskus说,他们可能能够向后向分子本身工作。

我们发现的加合物很可能来自较大物种的分解,Balskus说。所以我们仍在努力解决这个化学谜团,并努力弄清楚整个结构可能是什么。

最后,Balskus说,研究结果还表明,DNA加合物可以作为化合物活性的关键生物标志物,如colibactin和其他来自肠道微生物活性的潜在致癌物质。

到目前为止,当人们正在寻找能够制造这些DNA破坏性化合物的生物时,他们正在寻找生物合成基因,Balskus说。这告诉你遗传潜力,但它没有告诉你实际上已经发生了DNA损伤,我们从毒理学的其他领域知道,如果你有预测致癌作用的良好生物标志物,那么在考虑评估癌症时这可能是有力的风险。

现在还很早,但这是我们工作可能带来的一个领域,她继续道。要知道colibactin是否在人类肿瘤发展中起着因果作用还为时尚早,但我们希望有更好的方法来监测结肠癌的易感性。

这项研究得到了Packard科学与工程奖学金,Damon
Runyon-Rachleff创新奖,国立卫生研究院,国家环境健康科学研究所,环境健康科学中心和美国国立卫生研究院的资助。和国家癌症研究所。

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