肠道细菌基因毒素大肠杆菌素（Colibactin）对DNA交联的特异性及其作用机制

《SCIENCE》：The specificity and structure of DNA cross-linking by the gut bacterial genotoxin colibactin

colibactin通过α-酮亚胺基团与DNA minor groove结合，形成AT序列特异的交叉链，质谱和核磁共振证实其结构并解释结直肠癌突变特征。

　　

编辑总结

小分子colibactin由某些大肠杆菌（Escherichia coli）菌株产生，已被证实能够在体外和人体内导致DNA损伤并引发结直肠癌。尽管colibactin的化学结构已被广泛研究，但由于该分子的不稳定性以及难以大量制备纯化产物，其具体结构仍不明确。Carlson等人通过将短寡核苷酸与产生colibactin的大肠杆菌共培养，成功分离出了交联的DNA，并利用质谱和核磁共振光谱技术对其结构进行了分析（详见Sch?rer的文章）。研究中发现，colibactin的一个α-酮亚胺基团结合在DNA的小沟中，此外还存在其他相互作用，这些因素有助于解释其在AT富集DNA序列中的选择性——这一特征已在某些人类结直肠癌基因组中被观察到。——Michael A. Funk

结构摘要

引言

Colibactin是一种化学性质不稳定的肠道细菌天然产物，与结直肠癌（CRC）有关。虽然目前尚未成功分离并确定其精确结构，但研究表明它含有两个环丙烷结构“头部”，这两个结构能够通过一个尚未明确结构的活性中心骨架形成DNA链间交联（ICLs）。研究发现，暴露于colibactin后会出现特定的突变特征，这些特征在癌症基因组中也有体现，这表明colibactin可能对CRC具有影响。然而，我们仍缺乏关于colibactin与DNA相互作用的具体机制及其结构的信息，这限制了我们对这种天然产物如何作用于DNA以及由此引发的突变起源的理解。

研究背景

先前的研究已揭示了colibactin的DNA烷基化活性，并指出腺嘌呤（A）和胸腺嘧啶（T）富集序列可能是其形成DNA链间交联的位点，但colibactin与DNA的具体相互作用方式、烷基化的确切位置及其序列选择性仍不清楚。为填补这些知识空白，我们采用生化检测、先进质谱（MS）和核磁共振（NMR）技术来研究colibactin与DNA之间的相互作用及其作用机制。

结果

我们首先利用新开发的基于质谱的方法研究了colibactin与DNA寡核苷酸的反应性，通过利用细菌体内合成克服了其化学不稳定性的问题。实验发现，colibactin主要在5′-WWWT-W-3′（其中加粗的腺嘌呤和带下划线的胸腺嘧啶发生烷基化，W代表A或T）这一序列中形成DNA链间交联。这种对AT富集序列的偏好与观察到的突变特征一致。进一步实验表明，colibactin能够结合并烷基化DNA的小沟区域。

为了深入了解colibactin-DNA链间交联的结构，我们进一步利用质谱技术对其进行了分析。意外的是，我们检测到了与含有不稳定α-酮亚胺结构的colibactin相关的质谱信号。

为了获得更详细的结构信息，我们大量制备了colibactin-DNA链间交联产物，从而可以进行溶液态核磁共振研究。所得结构结果证实了我们在体外实验中确定的烷基化位点。分析显示，colibactin的化学特性对其与DNA的结合及烷基化过程至关重要，尤其是其中心带正电的α-酮亚胺基团与DNA小沟壁之间的静电和氢键作用。合成类似物的计算和实验结果进一步证明了这一不稳定中心结构基团对colibactin-DNA链间交联特异性的重要性。

结论

本研究结合质谱和核磁共振技术，揭示了colibactin-DNA链间交联的特异性和结构。colibactin对AT富集序列的烷基化偏好有助于解释相关突变的起源。这些发现还有助于阐明其不稳定中心区域的结构，表明该区域是决定其序列特异性的关键因素。总体而言，我们的研究揭示了这种天然产物在DNA烷基化过程中的独特机制，加深了对其化学结构、与DNA的相互作用及其对宿主基因组影响的理解。

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Colibactin-DNA链间交联的结构与特异性。

研究表明，这种肠道细菌产生的基因毒素colibactin在烷基化过程中偏好AT富集的DNA序列，其中不稳定的α-酮亚胺基团在介导这种选择性中起关键作用。这些结果有助于解释由colibactin引起的突变在基因组中的分布规律。

摘要

越来越多的证据表明，这种化学性质不稳定且具有DNA损伤作用的肠道细菌天然产物colibactin与结直肠癌有关，包括发现了由colibactin引起的DNA链间交联（ICLs）所导致的突变特征。然而，我们目前仍缺乏关于这种DNA损伤结构的直接信息。在本研究中，我们结合质谱和核磁共振技术阐明了colibactin-DNA链间交联的特异性和结构。研究发现，colibactin主要在腺嘌呤和胸腺嘧啶富集的DNA小沟区域进行烷基化，从而解释了相关突变的起源。出乎意料的是，colibactin中不稳定的中心结构基团决定了其序列选择性。通过直接解析colibactin与DNA的相互作用，本研究加深了我们对这种致癌肠道细菌天然产物的结构和遗传毒性机制的理解。