Al meer dan een decennium, wetenschappers hebben gewerkt om het verband tussen colibactine, een verbinding geproduceerd door bepaalde stammen van E coli , en colorectale kanker, maar werden gehinderd door hun onvermogen om de verbinding te isoleren.

Dus besloot Emily Balskus zich te concentreren op de rotzooi die het achterlaat.

Een hoogleraar scheikunde en chemische biologie, Balskus en collega's zijn de auteurs van een nieuwe studie die probeert te begrijpen hoe colibactine kanker veroorzaakt door precies te identificeren hoe de chemische stof reageert met DNA om DNA-adducten te creëren. De studie wordt beschreven in een paper van 15 februari gepubliceerd in: Wetenschap .

"Sinds 2006 is bekend dat er een reeks genen is in bepaalde commensale darmbacteriën - meestal in stammen van E coli - die hen het vermogen geven om moleculen te maken die kunnen leiden tot DNA-schade, " zei Balskus. "Door de jaren heen, er zijn een aantal onderzoeken geweest die een verband hebben aangetoond tussen de overvloed aan bacteriën die deze route dragen en kanker bij mensen, en meerdere muismodellen van colitis-geassocieerde colorectale kanker hebben aangetoond dat deze specifieke set genen... tumorprogressie en invasiviteit kan beïnvloeden."

Helaas, de verbinding die via die route is gecreëerd - colibactine - heeft tot nu toe pogingen om het te isoleren te ontgaan, onderzoekers in het ongewisse laten over hoe het werkt.

"Mijn lab begon dit te bestuderen, omdat we geïnteresseerd waren in dit probleem van hoe je een molecuul kunt begrijpen dat je niet kunt isoleren, " zei Balskus. "En de samenvatting van ons eerdere werk om colibactine te begrijpen was dat, onverwacht, wij en andere groepen die aan dit pad werkten, ontdekten dat dit natuurlijke product een zogenaamde cyclopropaanring bevat."

Het is die chemische structuur waarvan Balskus en collega's denken dat het de colibactine-kernkop vormt, deels omdat vergelijkbare structuren worden gevonden in andere, niet-verwante moleculen die directe DNA-schade kunnen veroorzaken door ermee te reageren.

"Toen we ons dat realiseerden, we veronderstelden dat een directe interactie met DNA belangrijk kan zijn voor de genotoxische activiteit van colibactine, "Zei Balskus. "Dat verlichtte een nieuwe strategie voor het verkrijgen van informatie over de structuur van colibactine - in plaats van te proberen het molecuul zelf te isoleren, we zouden de DNA-adducten kunnen isoleren en karakteriseren, of de producten van de reactie met DNA."

Isoleren van die DNA-adducten, echter, is geen gemakkelijke prestatie.

Om het te doen, Balskus en haar team wendden zich tot Silvia Balbo, een professor aan de University of Minnesota School of Public Health, die een nieuwe techniek ontwikkelde om DNA-adducten te identificeren op basis van hoe ze fragmenteren in een massaspectrometer met hoge resolutie.

"Wat we gedaan hebben, waarvan ik dacht dat het een heel spannend experiment was, was om een ​​spanning van te nemen E coli die colibactine en een mutante stam met hetzelfde genotype zou kunnen produceren, behalve dat het niet het genencluster had dat colibactine maakt, "Zei Balskus. "We hebben die stammen geïncubeerd met menselijke cellijnen... en het DNA uit beide sets cellen geïsoleerd, stopte het in de massaspectrometer en vergeleek de overvloed aan verschillende DNA-adducten in de monsters, dus we konden DNA-adducten vinden die alleen werden gegenereerd in de cellen die werden behandeld met de genotoxine-producerende bacteriën."

Gewapend met die informatie, Balskus zei, hun volgende uitdaging was om de chemische structuur van die adducten te begrijpen.

"Het leek alsof ze van colibactine kwamen op basis van de fragmentatie in de massaspectrometer, maar dat is niet genoeg om een ​​chemische structuur op te lossen, " zei Balskus. "Wat onderzoekers in mijn lab deden, en het was een heroïsche poging, was om een ​​standaard chemisch te synthetiseren... en we vergeleken het met de adducten geproduceerd in de cellen, en ze waren hetzelfde."

Om aan te tonen dat het proces ook aan het werk was bij levende dieren, het team werkte samen met Wendy Garrett aan de Harvard T.H. Chan School of Public Health, om een ​​experiment uit te voeren waarbij kiemvrije muizen werden gekoloniseerd met stammen van E coli die wel en niet colibactine konden produceren.

"We toonden aan dat we dezelfde DNA-adducten in het colonepitheelweefsel van de muizen konden detecteren met de colibactine-producerende stammen, "Zei Balskus. "Dat vertelt ons dat alle chemie die wij en anderen ex vivo hebben gedaan, echt relevant kan zijn voor wat er in vivo gebeurt."

Vooruit gaan, Balskus hoopt te onderzoeken of diezelfde adducten kunnen worden gedetecteerd in monsters van patiënten, en om de specifieke soorten DNA-schade veroorzaakt door colibactine te begrijpen en of ze de ontwikkeling van kanker beïnvloeden.

En nu onderzoekers een goed begrip hebben van de chemische structuur van de DNA-adducten gecreëerd door colibactine, Balskus zei, ze kunnen mogelijk achteruit werken naar het molecuul zelf.

"De adducten die we hebben geïdentificeerd, zijn hoogstwaarschijnlijk afkomstig van de ontbinding van een grotere soort, "Zei Balskus. "Dus we proberen nog steeds dit chemische mysterie op te lossen en werken eraan om uit te zoeken wat de volledige structuur zou kunnen zijn."

Uiteindelijk, Balskus zei, de bevindingen suggereren ook dat DNA-adducten kunnen worden gebruikt als een belangrijke biomarker voor de activiteit van verbindingen zoals colibactine en andere potentiële kankerverwekkende stoffen die zijn afgeleid van de activiteit van darmmicroben.

"Tot nu toe, toen mensen op zoek waren naar organismen met het vermogen om deze DNA-beschadigende verbindingen te maken, ze waren op zoek naar de biosynthetische genen, " zei Balskus. "Dat vertelt je over het genetische potentieel, maar het vertelt je niet dat er daadwerkelijk DNA-schade is opgetreden, en we weten uit andere gebieden van de toxicologie dat als je goede biomarkers hebt voor het voorspellen van carcinogenese, dat kan krachtig zijn bij het nadenken over het beoordelen van kankerrisico's.

"Het is nog erg vroeg, maar dat is een gebied waar ons werk mogelijk toe kan leiden, " vervolgde ze. "Het is nog te vroeg om te weten of colibactine een oorzakelijke rol speelt bij de ontwikkeling van tumoren bij mensen, but we would like to have better ways of monitoring colon cancer susceptibility."