長年にわたり、人間の腸内に潜む謎の細菌毒素が結腸直腸がんを引き起こすのではないかと疑われてきました。今回、ハーバード大学の2つの研究室の研究者らは、この毒素がDNAを損傷し、長い間この病気に関与するとされてきたまさに種類の突然変異を生み出す行為を発見した。
新しい 勉強木曜日にサイエンス誌に掲載された論文は、一般的な腸内細菌によって作られる天然物毒素であるコリバクチンによって形成される DNA 損傷の構造を初めて詳述した。研究チームを率いたのは、 エミリー・バルスカス 化学およびケミカルバイオロジー学科で、 ビクトリア・ドゥスーザ 分子細胞生物学科の博士号を取得しました。
「この分子は化学的に非常に不安定なので、研究するのは非常に困難でした」とトーマス・ダドリー・キャボット化学教授のバルスカス氏は言う。
この研究結果は、打ち切られ後に復活した国立衛生研究所の資金提供によって可能になったもので、コリバクチンが致死性疾患の予防の有望な標的である可能性を示唆している。
私たちの細胞内の DNA の主な形式は二重らせん、つまり 2 本の鎖がねじれたものです。多くの発がん物質はどちらかの鎖に損傷を与えますが、コリバクチンはより極端なことを行い、架橋を形成します。
「鎖間の架橋は、DNA損傷剤が両方のDNA鎖と反応することを意味します」とバルスカス氏は言う。 「これは 2 本の DNA 鎖を結びつけ、細胞に特に有毒な DNA 損傷を引き起こします。」
この種の病変は、染色体の破損、修復不全、および癌の原因となる可能性のある突然変異を引き起こす可能性があります。
ヴィクトリア・ドゥスーザ氏（左）とエミリー・バルスカス氏。
クレジット: MCB
「細胞がゲノムからDNAコピーを作ろうとするたびに、2本の鎖をほどく必要がある」と分子細胞生物学のドゥスーザ教授は言う。 「クロスリンクは複製に大きな障害を引き起こします。」
この研究は、ミネソタ大学の科学者ピーター・ビラルタ氏とシルビア・バルボ氏との共同で行われた。ハーバード大学のチームには、バルスカス研究室の元ポスドク研究員であるエリック・S・カールソン氏のほか、ドゥスーザ研究室の大学院生ラファエル・ハレッカー氏とリンダ・ホナカー氏、バルスカス研究室のミゲル・A・アギラール・ラモス氏も含まれていた。
研究者らは、一見単純な質問から始めた: コリバクチンは、遭遇した DNA 配列を架橋するのか、それともお気に入りのスポットがあるのか?
コリバクチンは、pks または clb として知られる生合成遺伝子クラスターを保有する大腸菌および他の腸内細菌の特定の株によって生成される毒素です。この化合物はすぐに分解してしまうため、研究チームはすべての実験でその場でコリバクチンを作るために、生きた細菌を使ってコリバクチンを生成する必要がありました。
これらのコリバクチン産生細菌は、短い DNA 断片の存在下で毒素を直接生成するために使用されました。次に研究者らは、ミネソタ大学の共同研究者との古典的なゲルベースの配列決定および質量分析に頼って、架橋が形成される場所を測定しました。
彼らは、コリバクチンが主にアデニン (A) とチミン (T) から構築された DNA の架橋ストレッチを強く好むことを発見しました。その好みを理解するには、構造生物学に移行する必要があったため、ドゥスーザの研究室は核磁気共鳴 (NMR) 分光法を使用して病変の構造モデルを構築しました。
「NMR によって構造を解明するための最大のハードルは、大量の材料が必要なことだと思います」と D’Souza 氏は言いました。 「チームは十分な成果を上げ、その大きな課題を克服することができました。」
結果として得られる構造は、コリバクチンがなぜ非常にうるさいのかを説明しています。 DNA の AT に富むセグメントには副溝 (らせんの片側にある狭いチャネル) があり、他の配列よりも緊密で負に帯電しています。
「コリバクチンの素晴らしい点は、形状と電荷の相補性の点で完璧に適合することです」とドゥスーザ氏は言う。
これらの分子の詳細は、コリバクチン産生細菌と結腸直腸がんとの関連性をさらに調査する根拠を強化します。コリバクチンへの曝露により、ゲノム内のATに富む配列に突然変異が生じることが知られていました。コリバクチンの特異性を理解することで、結腸直腸癌で検出されたこれらの変異の位置が説明されます。
特に、コリバクチンに起因すると考えられる特定の変異は、若い患者の腫瘍に多く見られます。主要なコリバクチン生産者である大腸菌は、乳児の腸内微生物叢に最も豊富に存在することがわかっています。これは、早期発症の結腸直腸がんの環境危険因子が作用すると考えられる早期の時期と一致しています。
この調査結果は、部門を越えたコラボレーションの力を浮き彫りにしていると研究者は述べています。
「コリバクチンのようにプロジェクトが困難な場合、1 つのグループが問題解決に必要な専門知識をすべて備えているとは期待できません」と Balskus 氏は述べています。 「ハーバード大学では、さまざまな分野の専門家に簡単にアクセスできることから大きな恩恵を受けてきました。」