У колибактина есть “боеголовки”, которые ищут и уничтожают ДНК
Некоторые кишечные жуки вырабатывают токсин, изменяющий ДНК, колибактин, который прилипает к ДНК и повреждает ее, соединяя две нити двойной спирали, как показано здесь. Мутации, которые он вызывает, связаны с раком толстой кишки. Новое исследование объясняет, где и как колибактин наносит свой вред.
Микробный токсин колибактин имеет правильную форму, чтобы «приникать» к ДНК, но, к сожалению, его объятия скорее раковые, чем уютные.
Колибактин вырабатывается бактериями в кишечнике и вызывает мутации, приводящие к раку толстой кишки. Он содержит химические компоненты, которые настолько эффективно повреждают ДНК, что ученые называют их “боеголовками”. А теперь пристальный взгляд на то, как колибактин реагирует с ДНК, показал, как он ищет и разрушает ее: Его структура дает ему неприятную склонность воздействовать на определенные участки ДНК, сообщают исследователи в журнале Science от 4 декабря.
Это открытие подтверждает тесную связь между колибактином и специфическими “отпечатками пальцев” мутаций, наблюдаемых при раке толстой кишки. В конечном итоге ученые могли бы использовать эти отпечатки для разработки тестов на воздействие колибактина и предоставить врачам более совершенные инструменты для оценки риска развития рака.
Большинство кишечных бактерий полезны или нейтральны, но некоторые, в том числе некоторые штаммы кишечной палочки, вырабатывают токсины, такие как колибактин, и являются совершенно разрушительными. С тех пор как в 2006 году был открыт колибактин, накапливается все больше доказательств того, что он способствует развитию рака толстой кишки — заболевания, которое в течение жизни поражает примерно 1 из 25 человек в Соединенных Штатах.
Одна из самых убедительных подсказок заключается в уникальном характере мутаций, вызываемых раком толстой кишки у человека. Колибактин не повреждает ДНК сам по себе. Он вызывает специфические мутации в определенных коротких “словах”, или последовательностях, записанных в четырехбуквенном химическом алфавите ДНК. Эти мутации обнаруживаются в генетическом материале от 5 до 20 процентов случаев рака толстой кишки. Кишечная палочка, несущая гены, необходимые для выработки колибактина, чаще обнаруживается у больных раком толстой кишки, чем у здоровых людей. И эксперименты показали, что воздействие колибактина приводит к повреждению ДНК и клеточному старению в клетках человека, а также к образованию опухолей у мышей.
Но, несмотря на все эти многообещающие доказательства того, что колибактин вызывает рак, структура молекулы — объяснение того, как он вызывает характерные мутации, — оказалось неясным.
Колибактин, изображенный здесь в виде разноцветной сетки, связывается с ДНК, показанной черным цветом. Молекула соединяет две скрученные нити двойной спирали химическим ключом. Когда клетки восстанавливают повреждения, это может привести к мутациям, связанным с раком толстой кишки.
Виктория Д’Суза
“Поскольку он нестабилен, никто на самом деле не смог его выделить”, — говорит химик и биолог Орландо Шерер из Питтсбургского университета, который не принимал участия в работе и написал перспективную статью в том же номере Science. Свободно плавающий колибактин распадался слишком быстро, чтобы его можно было охарактеризовать, поэтому ученые изучали только фрагменты или более стабильные, но несовершенные аналоги реальной молекулы.
Химик Эмили Балскус и ее коллеги решили эту проблему, используя живые кишечные микробы для получения химического вещества. “Это очень необычно, потому что химики предпочитают использовать отдельные очищенные молекулы”, — говорит Балскус из Гарвардского университета. Команда определила любимые короткие последовательности ДНК колибактина, а затем использовала их в качестве приманки для связывания колибактина, полученного микробами. Как только некоторое количество колибактина попало в ДНК, исследователи определили структуру комбинации, используя такие методы, как масс-спектроскопия и спектроскопия ядерного магнитного резонанса. “То, что они сделали, действительно совершенно особенное», — говорит Шерер.
Изучение истинной, нестабильной формы молекулы принесло свои плоды: оказалось, что нестабильное ядро колибактина является ключевым для определения последовательности, на которую он нацелен. Это ядро содержит азотсодержащую группу, содержащую положительно заряженные протоны, которые помогают молекуле распознавать предпочтительные последовательности и придерживаться их. К этой сердцевине прикреплены два длинных отростка, украшенных дополнительными липкими азотными группами и оканчивающимися треугольниками, состоящими из трех атомов углерода — “боеголовок”, которые могут атаковать ДНК и образовывать химические связи с ней.
Такая структура — верный путь к неприятностям, поскольку она позволяет колибактину проникать в определенную последовательность ДНК, захватывать обе нити двойной спирали и связываться с ними. Химический мостик между обеими нитями ДНК — так называемая межцепочечная сшивка — не дает ДНК распаковываться для репликации или считывания клеточными механизмами, производящими белок. Клетки могут устранить это повреждение, но процесс восстановления часто бывает неаккуратным и приводит к определенным видам мутаций. А рак толстой кишки, связанный с колибактином, часто несет в себе мутации именно в тех последовательностях ДНК, на которые, как показали Балскус и ее коллеги, нацелена структура колибактина.
“Мы максимально приблизились к разгадке структуры [колибактина], и на это ушло почти 20 лет работы в этой области”, — говорит Бальскус. “Как химик, я нахожу это очень захватывающим!”