腸道菌群釋放造成DNA損傷的新型基因毒素

能促進

結直腸癌

（

CRC

）的發生發展，其中一種機制是一些促癌細菌可透過產生基因毒素（genotoxins），引起宿主腸道上皮細胞DNA損傷。其中研究比較多的是某些大腸桿菌能產生colibactin，這種小分子基因毒素可透過與DNA交聯引起DNA雙鏈斷裂來加劇腸癌的發展。此外，人類腸癌也含有和colibactin相關的基因突變。然而，除此以外，人們對其他促癌細菌衍生的基因毒素所知甚少。

10月28日，

Science

線上發表了耶魯大學

Noah Palm

團隊的研究：

Commensal microbiota from patients with inflammatory bowel disease produce genotoxic metabolites

，作者

透過建立一套基於凝膠電泳的體外篩選方法，系統性地評估了來自IBD患者

（具有更高的腸癌風險）

的122株細菌的基因毒性

（第一作者曹議勻博士）。

基於此，作者發現多個菌株均可以產生具有破壞DNA結構的基因毒素，並且不同於能引起DNA交聯的colibactin，這些潛在的新型基因毒素有著更好的穩定性以及不同的引發DNA斷裂的機制。例如，革蘭氏陽性的產氣莢膜梭菌和多枝梭菌、革蘭氏陰性的摩氏摩根氏菌（Morganella morganii）的菌株均產生可誘導DNA損傷的小分子基因毒素，且能在上皮細胞中引發DNA斷裂和擾亂細胞週期。

由於這些新鑑定出的具有基因毒性的細菌並不產生colibactin，也不含有典型的二級代謝物基因簇，作者透過結合代謝組學和功能性驗證去尋找潛在的小分子基因毒素。以在IBD和CRC病人中顯著富集的M。 morganii為例，作者透過萃取分離逐步剔除不具有基因毒性的成分，最終鎖定了一類特殊的新型化合物上，並根據其結構命名為indolimines。透過人工合成indolimines，作者驗證了其在上皮細胞中引發DNA斷裂的能力以及在定植了M。 morganii小鼠中的表達。

接著，根據indolimines的結構，作者猜想了其可能的合成反應，即由氨基酸透過脫羧酶產生伯胺（primary amines）後，與indole-3-aldehyde（IAld）自發反應生成具有N=C雙鍵的indolimines。透過與已知的脫羧酶進行序列對比，作者找到了M。 morganii中可能的基因（aat），並透過異源表達驗證了它利用氨基酸和IAld催化合成indolimines的能力。為了驗證該基因的必要性，作者透過轉座子插入的隨機突變技術構建了含約16000個突變株的M。 morganii菌株庫，並利用優化了的Knockout Sudoku和轉座子測序（Tn-seq）技術，得到了aat特異性敲除的突變株。該突變株不能產生indolimines，也失去了體外引發DNA斷裂的能力。

最後，作者利用aat特異性敲除的突變株與野生型M。 morganii做嚴格的頭對頭比較，發現能產生indolimines的M。 morganii在小鼠體內可以提高腸道的通透性、改變腸道上皮細胞的DNA複製和細胞增殖。此外，透過與colibactin產生和不產生的大腸桿菌做對照，作者發現在一個簡單的mock community背景下，能產生indolimines的M。 morganii能顯著加劇AOM/DSS模型的結腸腫瘤生成。

綜上所述，

該研究基於評判腸道細菌功能的篩選方法，發現了腸道細菌具有更廣譜的基因毒性特徵。

其中CRC高度相關的M。 morganii能產生一類新型的基因毒素——indolimines。作者結合了化學生物學、生物資訊學、合成生物學和高通量測序的方法鑑定出負責該類化合物生成的編碼脫羧酶的基因，並在無菌老鼠體內驗證了indolimines在CRC中的作用。這

拓展了我們對基因毒素的認識，併為未來基於腸道菌群的結腸癌診斷和治療提供了新的思路。

原文連結：

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

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