《Science》揭示大肠杆菌与癌症的神秘关联

　　十多年来，科学家们一直致力于研究大肠杆菌素（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，但由于他们无法分离出这种化合物，这种联系受到了阻碍。

　　所以Emily Balskus决定把注意力集中在大肠杆菌素留下的“烂摊子”上。

　　Balskus是化学和化学生物学教授，她和同事们是一项新研究的作者，该研究旨在通过精确识别大肠杆菌素是如何与DNA反应生成DNA加合物来了解大肠杆菌素是如何导致癌症的。该研究发表在Science杂志上。

　　“自2006年以来，人们就知道在某些肠道共生细菌（主要是大肠杆菌）中存在一组基因，使细菌能制造导致DNA损伤的分子，”Balskus说。“多年来，已经有许多研究表明携带这种途径的细菌的数量与人类癌症之间存在相关性，并且结肠炎相关的结直肠癌的多个小鼠模型已经证明，这一特定的一组基因……可以影响肿瘤进展和侵袭性。”

　　不幸的是，通过这种途径产生的化合物——大肠杆菌素——迄今为止一直未能将其分离出来，使研究人员对其工作原理一无所知。

　　“我的实验室开始研究这个，因为我们对这个问题很感兴趣，即你如何理解一个你无法分离的分子。”Balskus说。“我们早期理解大肠杆菌素的工作总结是，出乎意料的是，我们和其他研究该途径的小组发现，这种天然产物中含有一个环丙烷环。”

　　Balskus和同事认为，正是这种化学结构形成了大肠杆菌素的“弹头”，部分原因是在其他不相关的分子中发现了类似的结构，这些分子能够通过与DNA反应而直接破坏DNA。

　　“当我们意识到这一点时，我们假设与DNA的直接相互作用可能对大肠杆菌素的基因毒性很重要，”Balskus说。“这为获取有关大肠杆菌素结构的信息提供了一种新的策略——我们可以分离和鉴定DNA加合物或与DNA反应后的产物，而不是试图分离分子本身。”

　　然而，分离这些DNA加合物并非易事。

　　为了做到这一点，Balskus团队求助明尼苏达大学公共卫生学院的Silvia Balbo教授，他们开发了一种新的技术，根据DNA加合物在高分辨率质谱仪中的片段来鉴定。

　　“我们所做的，我认为是一个非常令人兴奋的实验，就是从大肠杆菌中选出一株能产生大肠杆菌素的菌株和一株具有相同基因型的突变菌株，但它没有产生大肠杆菌素的基因簇，”Balskus说。“我们用人类细胞系培养这些菌株……并从两组细胞中分离出DNA，将其放入质谱仪中，比较样本中不同DNA加合物的丰度，因此我们能够在产生大肠杆菌素细菌处理过的细胞中找到大肠杆菌素与DNA反应产生的DNA加合物。”

　　Balskus说，有了这些信息，他们的下一个挑战是了解这些DNA加合物的化学结构。

　　“它们看起来像是从大肠杆菌素中分离出来的，但这还不足以解决化学结构问题，”Balskus说。“我实验室的研究人员所做的是一项伟大的努力，是化学合成一种标准物……然后我们将其与细胞中产生的加合物进行比较，它们是相同的。”

　　为了证明这一过程在活的动物身上也存在，研究小组与哈佛大学T.H.Chan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株定殖，这些大肠杆菌菌株包括能产生和不能产生大肠杆菌素。

　　“我们证明，我们能够在接种有生产大肠杆菌素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，我们和其他人在体外所做的所有化学反应都可能与体内发生的事情有关。”

　　展望未来，Balskus希望研究这些相同的加合物是否可以在患者的样本中被检测到，并了解大肠杆菌素引起的DNA损伤的具体类型以及它们是否影响癌症的发展。

　　现在研究人员已经对大肠杆菌素产生的DNA加合物的化学结构有了很好的了解，Balskus说，他们也许能够朝着分子本身的方向工作。

　　“我们发现的加合物最有可能来自于更大物质的分解，”Balskus说。“所以我们仍在试图解开这个化学谜团，并努力找出完整的结构可能是什么。”

　　最后，Balskus说，研究结果还表明，DNA加合物可以作为大肠杆菌素等化合物以及其他来源于肠道微生物的潜在致癌物的关键生物标志物。

　　“直到现在，当人们在寻找能够制造这些DNA损伤化合物的有机体时，他们还在寻找生物合成基因，”Balskus说，“这告诉了你基因的潜力，但它并没有告诉你DNA损伤实际上已经发生了，我们从毒理学的其他领域知道，如果你有很好的生物标志物来预测致癌作用，那么在考虑评估癌症风险时，这将是非常有效的。”

　　“现在还很早，但我们的工作可能会引领的一个领域，”她接着说。“目前尚不清楚大肠杆菌素是否在人类肿瘤发展中起到因果作用，但我们希望有更好的方法来监测结肠癌易感性。”