Микробиота кишечника может потенциально способствовать развитию и прогрессированию колоректального рака (КРР) путем производства низкомолекулярных генотоксинов.
Например, отдельные комменсальные штаммы Escherichia coli производят канонический генотоксин колибактин, который вызывает образование двухцепочечных разрывов ДНК в эпителиальных клетках кишечника и усугубляет течение КРР в мышиных моделях. Более того, при КРР человека обнаруживаются мутационные сигнатуры, связанные с колибактином, что указывает на прямую роль повреждений ДНК, вызванных микробиотой, в КРР. Однако воздействие генотоксинов, производимых микробиотой, помимо колибактина, остается практически неизученным.
Учитывая обширное разнообразие метаболитов, производимых бактериями, мы предположили, что дополнительные таксоны из микробиома кишечника человека могут производить ранее не обнаруженные малые молекулы, вызывающие повреждение ДНК в клетках хозяина. Выявление и характеристика таких генотоксинов и соответствующих путей их биосинтеза может раскрыть причинно-следственную роль микроорганизмов кишечника в формировании биологии хозяина и восприимчивости к заболеваниям. В итоге, мы разработали крупномасштабный скрининг повреждений ДНК на основе электрофореза для оценки генотоксичности коллекции из более чем 100 кишечных комменсалов, выделенных от пациентов с воспалительными заболеваниями кишечника (ВЗК).
Результаты
Мы выявили разнообразные бактерии из микробиоты человека, чьи низкомолекулярные метаболиты вызывали генотоксичность как в внеклеточном, так и в клеточном анализах повреждения ДНК. Например, низкомолекулярные метаболиты грамположительных бактерий (включая штаммы Clostridium perfringens и Clostridium ramosum) и грамотрицательных бактерий (включая многочисленные штаммы Morganella morganii) непосредственно повреждали ДНК в внеклеточных тестах и вызывали экспрессию маркера DSB γ-H2AX и остановку клеточного цикла в эпителиальных клетках. Однако характер повреждений ДНК, вызванных этими метаболитами, отличался от сшивок, вызванных колибактином, и у этих изолятов отсутствовал биосинтетический механизм для производства колибактина или других известных генотоксинов. Таким образом, эти данные свидетельствуют о существовании ранее не обнаруженных генотоксинов, производимых микробиотой.
M. morganii присутствует в микробиоте кишечника пациентов с ВЗК и КРР. Используя комбинацию методов сравнительной метаболомики и биоактивности, мы обнаружили семейство генотоксинов M. morganii, названных индолиминами, которые вызывают повреждение ДНК в клеточных и внеклеточных тестах. Более того, мы идентифицировали ранее не охарактеризованную бактериальную декарбоксилазу (аннотированную как аспартат-аминотрансфераза, кодируемая геном aat), которая необходима для синтеза индолиминов, и сконструировали изогенный aat-мутант M. morganii, который не обладал генотоксичностью как в внеклеточных, так и в клеточных тестах повреждения ДНК.
По сравнению с мутантом, не продуцирующим индолимин, M. morganii дикого типа вызывал повышенную кишечную проницаемость и индуцировал транскрипционные сигнатуры, связанные с аномальной репликацией ДНК и пролиферацией эпителиальных клеток кишечника у гнотобиотических мышей. Кроме того, индолимин-продуцирующий M. morganii вызывал увеличение опухолевого бремени толстой кишки в контексте микробного сообщества в мышиной модели КРР.
Заключение
Используя функциональную оценку микробиома, мы обнаружили существование более широкого спектра низкомолекулярных генотоксинов, производимых микробиотой. Мы обнаружили, что различные штаммы бактерий, выделенные от пациентов с ВЗК, проявляют активность, повреждающую ДНК, и открыли ранее не описанное семейство генотоксинов, названных индолиминами, которые вырабатываются ассоциированным с ВЗК и КРР видом M. morganii. Индолимины, продуцируемые M. morganii, вызывали повышенную проницаемость кишечника и усиливали опухолеобразование толстой кишки у гнотобиотических мышей. В целом, эти исследования предполагают расширение роли генотоксинов, продуцируемых микробиотой, в формировании биологии хозяина и восприимчивости к заболеваниям.
