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肠道中的这个菌竟会导致DNA断裂

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不久前就有研究指出,全球癌症中,有13%来自各种传染性的致病微生物。

癌症的病因多种多样,比如抽进去的烟、喝下去的酒、晒的太阳,都会悄悄在细胞DNA上动点手脚,造成基因突变,一不小心就突变成癌细胞了。

但要是一个癌症患者既抽烟又喝酒,生活方式还不健康,这些因素对他患癌都有多少责任?怎么才能找到让他患癌的真凶?这就要看肿瘤中的突变模式了。不管是烟、酒、紫外线,还是含马兜铃酸等有致癌风险的药物,都有着自己特定的突变模式,在肿瘤的基因组中留下“指纹”。

近日,荷兰皇家艺术与科学学院的Cayetano Pleguezuelos-Manzano和Hans Clevers等使用类器官绘制了基因毒性大肠杆菌导致癌症的两种基因突变特征。在结肠癌的驱动突变中,大约有2.4%符合这两种特征。这一研究发表在Nature上[1]。

癌症的众多致病因素里,微生物是十分重要的一类。不久前就有研究指出,全球癌症中,有13%来自各种传染性的致病微生物。而其中一些致癌的微生物,比如幽门螺杆菌,在人群中的分布还十分广泛。

不过这些微生物的致癌性,大多只有一些相关性的证据,要给他们定罪还是差了点。这次,研究人员破解了一种跟结肠癌密切相关的微生物——基因毒性大肠杆菌——在细胞DNA中留下的“指纹”,找到了它们导致癌症的切实证据。

基因毒性大肠杆菌的存在十分广泛。据统计,20%的健康人都携带有基因毒性大肠杆菌,而在炎症性肠病和结肠癌患者中,这一比例就更高了,分布达到了40%和60%。

这种大肠杆菌,基因组里含有clb基因簇(也叫pks基因簇),可以合成基因毒性物质colibactin。研究显示,colibactin可以在哺乳动物细胞中形成colibactin-腺嘌呤加合物[5],引起链间交联(ICL)和双链断裂(DSB)[6]。

研究人员把基因毒性大肠杆菌与人类肠道类器官放在一起,进行了联合培养,同时使用敲除了clb基因簇,不能产生colibactin的大肠杆菌作为对照。研究所用的类器官,最初都来自同一个细胞,保证了基因的同源性。

在共培养三天后,两个类器官看上去都生长良好,差异不大。不过与基因毒性大肠杆菌共培养的类器官里,已经可以发现双链断裂和链间交联等DNA损伤了。共培养5个月后,研究人员从最初的两个类器官上提取细胞,建立亚克隆类器官,并进行了全基因组测序。

通过对比两组培养物的测序结果,研究人员发现,基因毒性的大肠杆菌显著增加了单碱基替换突变,而且主要发生T→N的替换,被替换的T大多是ATA、ATT或TTT序列里中间的那个T。这一基因突变特征被研究人员称为pks特异性的单碱基替换特征(SBS-pks)。

此外,研究人员还发现了一种pks特异性的插入缺失特征(ID-pks)——连续的T碱基中丢失一个T。

对突变位点附近更大范围的分析发现,SBS-pks突变位点上游3bp处经常是A,而ID-pks上游也存在A碱基的富集。

接下来,研究人员在荷兰3668例实体瘤患者的肿瘤全基因组数据中,检测了SBS-pks和ID-pks的存在。相比于其它肿瘤,结肠癌中的SBS-pks和ID-pks明显更多,而且SBS-pks和ID-pks的存在明显正相关。

而在十万人基因组计划中的2208名结肠癌患者中,研究人员发现,5.0%的患者肿瘤中富含SBS-pks,4.4%的患者肿瘤富含ID-pks,2.0%的患者富含SBS-pks和ID-pks

研究人员还在汇集了7个结肠癌队列的IntOGen数据集[7]里分析了肿瘤驱动突变中的colibactin引起的突变。在总共4712个癌症驱动突变中,2.4%与colibactin引起的突变特征相吻合。而结肠癌里最常突变的APC基因里,更是有5.3%的突变与colibactin引起的突变相吻合。

IntOGen数据集中,APC基因上符合SBS-pks和ID-pks的突变

这下,可算是找到基因毒性大肠杆菌导致癌症的切实证据了。

在此前一项研究中[8],有人曾经发现,一种可以改善肠道慢性炎症的益生大肠杆菌Nissle 1917,它的益生菌活性同样依赖于clb这个会产生基因毒性的基因簇。研究人员计划下一步在使用这种益生菌的人群中,检测SBS-pks和ID-pks,进一步证明基因毒性的大肠杆菌会产生具有这些特征的基因突变。

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