Den Code von Colibactin knacken
Untersuchung einer Verbindung, die DNA schädigt, um deren Zusammenhang mit Krebs zu verstehen
Seit mehr als einem Jahrzehnt arbeiten Wissenschaftler daran, den Zusammenhang zwischen Colibaktin, einer Verbindung, die von bestimmten Stämmen von E. coli produziert wird, und Darmkrebs zu verstehen, wurden aber durch die Unmöglichkeit, die Verbindung zu isolieren, beeinträchtigt.
Bakterien, Symbolbild
geralt; pixabay.com; CCO
So entschied sich Emily Balskus stattdessen, sich auf das Chaos zu konzentrieren, das sie hinterlässt.
Balskus, Professor für Chemie und Chemische Biologie, und Kollegen sind die Autoren einer neuen Studie, die untersuchen will, wie Colibaktin Krebs verursacht, indem sie genau identifiziert, wie die Chemikalie mit der DNA reagiert, um DNA-Addukte herzustellen.
"Es ist seit 2006 bekannt, dass es eine Reihe von Genen in bestimmten Darmcommensalbakterien gibt - meist in Stämmen von E. coli - die ihnen die Fähigkeit geben, Moleküle herzustellen, die zu DNA-Schäden führen können", sagte Balskus. "Im Laufe der Jahre gab es eine Reihe von Studien, die eine Korrelation zwischen der Häufigkeit von Bakterien, die diesen Weg tragen, und Krebs beim Menschen gezeigt haben, und mehrere Mausmodelle von Kolitis-assoziiertem Darmkrebs haben gezeigt, dass dieser spezifische Satz von Genen.... die Tumorprogression und Invasivität beeinflussen kann."
Leider entzieht sich die durch diesen Weg entstehende Verbindung - Colibactin - bisher den Bemühungen, sie zu isolieren, so dass die Forscher im Dunkeln darüber stehen, wie sie funktioniert.
"Mein Labor hat damit begonnen, dies zu untersuchen, weil wir an diesem Problem interessiert waren, wie man ein Molekül verstehen kann, das man nicht isolieren kann", sagte Balskus. "Und die Zusammenfassung unserer früheren Arbeiten zum Verständnis von Colibaktin war, dass wir und andere Gruppen, die an diesem Weg gearbeitet haben, unerwartet feststellten, dass dieses Naturprodukt einen sogenannten Cyclopropanring enthält."
Es ist diese chemische Struktur, von der Balskus und Kollegen glauben, dass sie den Colibactin "Sprengkopf" bildet - zum Teil, weil ähnliche Strukturen in anderen, unabhängigen Molekülen gefunden werden, die in der Lage sind, durch Reaktion mit ihr direkte DNA-Schäden zu verursachen.
"Als wir das erkannten, gingen wir davon aus, dass eine direkte Interaktion mit der DNA wichtig für die genotoxische Aktivität von Colibactin sein kann", sagte Balskus. "Das beleuchtete eine neue Strategie, um Informationen über die Struktur von Colibactin zu erhalten - anstatt zu versuchen, das Molekül selbst zu isolieren, könnten wir die DNA-Addukte oder die Produkte der Reaktion mit DNA isolieren und charakterisieren."
Die Isolierung dieser DNA-Addukte ist jedoch keine leichte Aufgabe.
Um dies zu tun, wandten sich Balskus und ihr Team an Silvia Balbo, eine Professorin an der University of Minnesota School of Public Health, die eine neuartige Technik zur Identifizierung von DNA-Addukten entwickelte, basierend darauf, wie sie in einem hochauflösenden Massenspektrometer fragmentieren.
"Was wir taten, was ich für ein sehr spannendes Experiment hielt, war, einen Stamm von E. coli zu nehmen, der Colibaktin produzieren konnte, und einen mutierten Stamm mit dem gleichen Genotyp, außer dass er nicht den Gencluster hatte, der Colibaktin herstellt", sagte Balskus. "Wir haben diese Stämme mit menschlichen Zelllinien inkubiert....und die DNA aus beiden Zellsätzen isoliert, sie in das Massenspektrometer eingesetzt und die Fülle der verschiedenen DNA-Addukte in den Proben verglichen, so dass wir DNA-Addukte finden konnten, die nur in den Zellen erzeugt wurden, die mit den Genotoxin produzierenden Bakterien behandelt wurden."
Bewaffnet mit diesen Informationen, sagte Balskus, war ihre nächste Herausforderung, die chemische Struktur dieser Addukte zu verstehen.
"Es sah so aus, als ob sie von Colibactin stammen, basierend auf der Fragmentierung im Massenspektrometer, aber das reicht nicht aus, um eine chemische Struktur zu lösen", sagte Balskus. "Was die Forscher in meinem Labor taten, und es war ein heldenhafter Versuch, war, einen Standard chemisch zu synthetisieren... und wir verglichen ihn dann mit den Addukten, die in den Zellen produziert wurden, und sie waren die gleichen."
Um zu zeigen, dass der Prozess auch bei lebenden Tieren funktioniert hat, arbeitete das Team mit Wendy Garrett von der Harvard T.H. Chan School of Public Health zusammen, um ein Experiment durchzuführen, bei dem keimfreie Mäuse mit Stämmen von E. coli besiedelt wurden, die Colibaktin produzieren konnten und konnten.
"Wir konnten zeigen, dass wir diese gleichen DNA-Addukte im Kolonepithelgewebe der Mäuse mit den colibactinproduzierenden Stämmen nachweisen konnten", sagte Balskus. "Das sagt uns, dass die ganze Chemie, die wir und andere ex vivo gemacht haben, wirklich relevant sein könnte für das, was in vivo vor sich geht."
In Zukunft will Balskus untersuchen, ob dieselben Addukte in Patientenproben nachgewiesen werden können, und die spezifischen Arten von DNA-Schäden durch Colibaktin verstehen und ob sie die Krebsentstehung beeinflussen.
Und jetzt, da die Forscher ein gutes Verständnis für die chemische Struktur der DNA-Addukte haben, die durch Colibaktin erzeugt werden, sagte Balskus, können sie vielleicht rückwärts auf das Molekül selbst hinarbeiten.
"Die von uns identifizierten Addukte stammen höchstwahrscheinlich aus der Zersetzung einer größeren Spezies", sagte Balskus. "Also versuchen wir immer noch, dieses chemische Rätsel zu lösen und arbeiten daran, herauszufinden, was die gesamte Struktur sein könnte."
Am Ende, sagte Balskus, die Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass DNA-Addukte als wichtiger Biomarker für die Aktivität von Verbindungen wie Colibactin und anderen potenziellen Karzinogenen verwendet werden könnten.
Originalveröffentlichung
Wilson, Matthew R. and Jiang, Yindi and Villalta, Peter W. and Stornetta, Alessia and Boudreau, Paul D. and Carrá, Andrea and Brennan, Caitlin A. and Chun, Eunyoung and Ngo, Lizzie and Samson, Leona D. and Engelward, Bevin P. and Garrett, Wendy S. and Balbo, Silvia and Balskus, Emily P.; "The human gut bacterial genotoxin colibactin alkylates DNA"; Science, 2019
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