利用磁镊子解开化疗对DNA的影响之谜

康奈尔大学的一项新研究提供了一种新的视角，来了解一种常见的化疗药物——依托泊苷（etoposide）是如何阻止并毒害癌细胞生长的基本酶的。

　　

康奈尔大学(Cornell)的一项新研究提供了一种新的视角，让我们了解一种常见的化疗药物——依托泊苷（etoposide）是如何阻碍并毒害让癌细胞蓬勃生长的基本酶的。

这项发现将推进一系列癌症抑制剂的研究。该小组开发的技术还将有助于创建敏感的筛选工具，以确定可以改善患者治疗的药物机制。

40年来，依托泊苷（etoposide）一直是治疗各种癌症的可靠化疗药物。依托泊苷通过靶向IIA型真核拓扑异构酶(也称为topo IIs)成功地实现了癌细胞的复制。

复制过程的中心是长而纠缠的螺旋状DNA链。为了让癌症扩散，这些链需要被马达蛋白解开、旋转和复制。Topo ii非常适合这项工作。它们表演了一种精心设计的绳索戏法，通过切断超螺旋DNA来放松它，非常快速地让另一条DNA链穿过它的中间，然后重新连接被切断的DNA。所有这些都是在不破坏DNA微妙的遗传结构的情况下完成的——这是一项令人难以置信、速度惊人的生物学壮举，每天在体内大约发生3000亿次。

依托泊苷的最大优点是，它可以在任何东西重新连接之前稳定DNA双链断裂，从而防止癌细胞复制。然而，依托泊苷如何与DNA结构相互作用的复杂性仍然不清楚。

“我们通常会问:研究发生在DNA上的分子机制的最佳方法是什么?为了了解这些酶是如何工作的，我们想要模拟细胞中可能发生的事情。马达蛋白拉动DNA或者对DNA施加一个力。所以我们说，好吧，我们可以施加一个力，看看会发生什么。”

Wang的实验室使用了三种不同的单分子操作技术来观察依托泊苷对三种拓扑II的影响，这些拓扑II是由约翰霍普金斯大学的James Berger教授领导的合作者提供的:酵母拓扑异构酶II，人类拓扑异构酶II α和人类拓扑异构酶II β。

“DNA的拓扑结构，从概念上和扭转力学性质上来说，对人们来说真的很难掌握，当时研究它的方法很少。但我们恰好有合适的工具。我们之所以有合适的工具是因为在过去的20年里，我们一直致力于开发它们。这些工具和这个问题恰好在正确的时间汇聚在一起。”

首先，研究人员使用光学镊子将DNA拉伸成各种构型，演示依托泊苷如何压缩、释放和破坏DNA，并创建DNA环。这种环捕获行为让每个人都感到惊讶，因为它揭示了依托泊苷以前不为人知的新影响。这表明依托泊苷可以促进topo II在体内显著改变DNA的结构和拓扑结构。

然后，研究小组用光学镊子将双链DNA解压缩成两条单链，以绘制蛋白质与DNA相互作用的高分辨率地图，从而模拟运动去除结合蛋白的过程。这些发现表明依托泊苷可以将topo II转化为dna处理机制的强大障碍。

他们的第三种技术是一种磁镊子，他们用结合的拓扑II扭曲DNA，并观察拓扑II以稳定的速度放松DNA。当他们加入依托泊苷时，他们发现这种化学物质打乱了这种模式，引入了与捕获超螺旋环相关的暂停。

通过捕捉依托泊苷增强这些作用和干扰拓扑II功能的不同方式，研究人员现在有了一个定量系统来表征其他拓扑异构酶药物的行为。

“我认为这为我们提供了一套工具，使我们能够以非常全面的方式研究许多不同种类的拓扑异构酶和其他种类的药物，我们所做的一切都是在模仿体内发生的事情。我们只是以机械控制的方式来做。这就是它如此强大的原因。”