Science | 曹议匀博士等发现肠道菌群释放造成DNA损伤的新型基因毒素

2022-10-29 12:08:44, BioArt

肠道菌群能促进结直肠癌（CRC）的发生发展，其中一种机制是一些促癌细菌可通过产生基因毒素（genotoxins），引起宿主肠道上皮细胞DNA损伤。其中研究比较多的是某些大肠杆菌能产生colibactin，这种小分子基因毒素可通过与DNA交联引起DNA双链断裂来加剧肠癌的发展。此外，人类肠癌也含有和colibactin相关的基因突变。然而，除此以外，人们对其他促癌细菌衍生的基因毒素所知甚少。

10月28日，Science在线发表了耶鲁大学Noah Palm团队的研究：Commensal microbiota from patients with inflammatory bowel disease produce genotoxic metabolites，作者通过建立一套基于凝胶电泳的体外筛选方法，系统性地评估了来自IBD患者（具有更高的肠癌风险）的122株细菌的基因毒性（第一作者曹议匀博士）。

基于此，作者发现多个菌株均可以产生具有破坏DNA结构的基因毒素，并且不同于能引起DNA交联的colibactin，这些潜在的新型基因毒素有着更好的稳定性以及不同的引发DNA断裂的机制。例如，革兰氏阳性的产气荚膜梭菌和多枝梭菌、革兰氏阴性的摩氏摩根氏菌（Morganella morganii）的菌株均产生可诱导DNA损伤的小分子基因毒素，且能在上皮细胞中引发DNA断裂和扰乱细胞周期。

由于这些新鉴定出的具有基因毒性的细菌并不产生colibactin，也不含有典型的二级代谢物基因簇，作者通过结合代谢组学和功能性验证去寻找潜在的小分子基因毒素。以在IBD和CRC病人中显著富集的M. morganii为例，作者通过萃取分离逐步剔除不具有基因毒性的成分，最终锁定了一类特殊的新型化合物上，并根据其结构命名为indolimines。通过人工合成indolimines，作者验证了其在上皮细胞中引发DNA断裂的能力以及在定植了M. morganii小鼠中的表达。

接着，根据indolimines的结构，作者猜想了其可能的合成反应，即由氨基酸通过脱羧酶产生伯胺（primary amines）后，与indole-3-aldehyde（IAld）自发反应生成具有N=C双键的indolimines。通过与已知的脱羧酶进行序列对比，作者找到了M. morganii中可能的基因（aat），并通过异源表达验证了它利用氨基酸和IAld催化合成indolimines的能力。为了验证该基因的必要性，作者通过转座子插入的随机突变技术构建了含约16000个突变株的M. morganii菌株库，并利用优化了的Knockout Sudoku和转座子测序（Tn-seq）技术，得到了aat特异性敲除的突变株。该突变株不能产生indolimines，也失去了体外引发DNA断裂的能力。

最后，作者利用aat特异性敲除的突变株与野生型M. morganii做严格的头对头比较，发现能产生indolimines的M. morganii在小鼠体内可以提高肠道的通透性、改变肠道上皮细胞的DNA复制和细胞增殖。此外，通过与colibactin产生和不产生的大肠杆菌做对照，作者发现在一个简单的mock community背景下，能产生indolimines的M. morganii能显著加剧AOM/DSS模型的结肠肿瘤生成。

综上所述，该研究基于评判肠道细菌功能的筛选方法，发现了肠道细菌具有更广谱的基因毒性特征。其中CRC高度相关的M. morganii能产生一类新型的基因毒素——indolimines。作者结合了化学生物学、生物信息学、合成生物学和高通量测序的方法鉴定出负责该类化合物生成的编码脱羧酶的基因，并在无菌老鼠体内验证了indolimines在CRC中的作用。这拓展了我们对基因毒素的认识，并为未来基于肠道菌群的结肠癌诊断和治疗提供了新的思路。

原文链接：

https://doi.org/10.1126/science.abm3233

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