《Science》揭示大腸桿菌與癌癥的神秘關聯

　　十多年來，科學家們一直致力于研究大腸桿菌素（一種由某些大腸桿菌菌株產生的化合物）與結直腸癌之間的聯系，但由于他們無法分離出這種化合物，這種聯系受到了阻礙。

　　所以Emily Balskus決定把注意力集中在大腸桿菌素留下的“爛攤子”上。

　　Balskus是化學和化學生物學教授，她和同事們是一項新研究的作者，該研究旨在通過精確識別大腸桿菌素是如何與DNA反應生成DNA加合物來了解大腸桿菌素是如何導致癌癥的。該研究發表在Science雜志上。

　　“自2006年以來，人們就知道在某些腸道共生細菌（主要是大腸桿菌）中存在一組基因，使細菌能制造導致DNA損傷的分子，”Balskus說。“多年來，已經有許多研究表明攜帶這種途徑的細菌的數量與人類癌癥之間存在相關性，并且結腸炎相關的結直腸癌的多個小鼠模型已經證明，這一特定的一組基因……可以影響腫瘤進展和侵襲性。”

　　不幸的是，通過這種途徑產生的化合物——大腸桿菌素——迄今為止一直未能將其分離出來，使研究人員對其工作原理一無所知。

　　“我的實驗室開始研究這個，因為我們對這個問題很感興趣，即你如何理解一個你無法分離的分子。”Balskus說。“我們早期理解大腸桿菌素的工作總結是，出乎意料的是，我們和其他研究該途徑的小組發現，這種天然產物中含有一個環丙烷環。”

　　Balskus和同事認為，正是這種化學結構形成了大腸桿菌素的“彈頭”，部分原因是在其他不相關的分子中發現了類似的結構，這些分子能夠通過與DNA反應而直接破壞DNA。

　　“當我們意識到這一點時，我們假設與DNA的直接相互作用可能對大腸桿菌素的基因毒性很重要，”Balskus說。“這為獲取有關大腸桿菌素結構的信息提供了一種新的策略——我們可以分離和鑒定DNA加合物或與DNA反應后的產物，而不是試圖分離分子本身。”

　　然而，分離這些DNA加合物并非易事。

　　為了做到這一點，Balskus團隊求助明尼蘇達大學公共衛生學院的Silvia Balbo教授，他們開發了一種新的技術，根據DNA加合物在高分辨率質譜儀中的片段來鑒定。

　　“我們所做的，我認為是一個非常令人興奮的實驗，就是從大腸桿菌中選出一株能產生大腸桿菌素的菌株和一株具有相同基因型的突變菌株，但它沒有產生大腸桿菌素的基因簇，”Balskus說。“我們用人類細胞系培養這些菌株……并從兩組細胞中分離出DNA，將其放入質譜儀中，比較樣本中不同DNA加合物的豐度，因此我們能夠在產生大腸桿菌素細菌處理過的細胞中找到大腸桿菌素與DNA反應產生的DNA加合物。”

　　Balskus說，有了這些信息，他們的下一個挑戰是了解這些DNA加合物的化學結構。

　　“它們看起來像是從大腸桿菌素中分離出來的，但這還不足以解決化學結構問題，”Balskus說。“我實驗室的研究人員所做的是一項偉大的努力，是化學合成一種標準物……然后我們將其與細胞中產生的加合物進行比較，它們是相同的。”

　　為了證明這一過程在活的動物身上也存在，研究小組與哈佛大學T.H.Chan公共衛生學院的Wendy Garrett合作進行了一項實驗，在該實驗中，無菌小鼠被大腸桿菌菌株定殖，這些大腸桿菌菌株包括能產生和不能產生大腸桿菌素。

　　“我們證明，我們能夠在接種有生產大腸桿菌素菌株的小鼠結腸上皮組織中檢測到這些相同的DNA加合物，”Balskus說。“這告訴我們，我們和其他人在體外所做的所有化學反應都可能與體內發生的事情有關。”

　　展望未來，Balskus希望研究這些相同的加合物是否可以在患者的樣本中被檢測到，并了解大腸桿菌素引起的DNA損傷的具體類型以及它們是否影響癌癥的發展。

　　現在研究人員已經對大腸桿菌素產生的DNA加合物的化學結構有了很好的了解，Balskus說，他們也許能夠朝著分子本身的方向工作。

　　“我們發現的加合物最有可能來自于更大物質的分解，”Balskus說。“所以我們仍在試圖解開這個化學謎團，并努力找出完整的結構可能是什么。”

　　最后，Balskus說，研究結果還表明，DNA加合物可以作為大腸桿菌素等化合物以及其他來源于腸道微生物的潛在致癌物的關鍵生物標志物。

　　“直到現在，當人們在尋找能夠制造這些DNA損傷化合物的有機體時，他們還在尋找生物合成基因，”Balskus說，“這告訴了你基因的潛力，但它并沒有告訴你DNA損傷實際上已經發生了，我們從毒理學的其他領域知道，如果你有很好的生物標志物來預測致癌作用，那么在考慮評估癌癥風險時，這將是非常有效的。”

　　“現在還很早，但我們的工作可能會引領的一個領域，”她接著說。“目前尚不清楚大腸桿菌素是否在人類腫瘤發展中起到因果作用，但我們希望有更好的方法來監測結腸癌易感性。”