Генотоксическая кишечная бактерия может вызывать рак

В последнее время научное сообщество активно обсуждает связь комменсальной микробиоты с развитием заболеваний кишечника. Микробы выделяют метаболиты, в том числе вредоносные. Так, ранее было показано, что генотоксин колибактин, продуцируемый кишечной палочкой, ухудшает течение колоректального рака у модельных мышей. Однако до сих пор не было известно о других генотоксических веществах, продуцируемых микробиотой. Ученые из США решили восполнить этот пробел. Они разработали алгоритм скрининга кишечных комменсалов на генотоксичность и применили его к образцам микробиоты от пациентов с воспалительными заболеваниями кишечника (ВЗК).

Пациенты с ВЗК были выбраны из-за их большей подверженности колоректальному раку, что может быть связано с генотоксическим действием кишечных микробов. Ученые работали с коллекцией бактерий, полученных из 11 образцов стула. Коллекция состояла из 122 бактериальных изолятов и охватывала пять филумов, девять классов, десять порядков и 17 семейств. Каждый изолят проверили на генотоксичность, культивируя его в присутствии линеаризованной плазмиды pUC19. Повреждения плазмиды после культивирования проверяли с помощью гель-электрофореза. Скорость движения в геле плазмиды, поврежденной генотоксином, отличалась от таковой для интактной плазмиды. Условия культивирования были подобраны таким образом, чтобы снизить воздействие бактериальных ДНКаз на pUC19.

После двух раундов скрининга ученые отобрали 18 изолятов, предположительно выделяющих генотоксические молекулы. Следующий этап исследования провели на клетках HeLa. Их обрабатывали средой культивирования бактерий, разделенной на фракции по молекулярному весу, и оценивали повышение экспрессии маркера двухцепочечных разрывов γ-H2AX. Генотоксичность демонстрировали метаболиты изолятов нескольких видов. Проанализировав данные по встречаемости этих видов в микробиоте пациентов с ВЗК и колоректальным раком, ученые остановились на Morganella morganii. Она была обильно представлена в образцах больных, а ее малые молекулы проявляли генотоксичность и останавливали клеточный цикл HeLa.

У M. morganii отсутствуют гены синтеза колибактина, а значит, она выделят иные генотоксины. Для их идентификации ученые использовали ультрапроизводительную жидкостную хроматографию с квадрупольной времяпролетной масс-спектрометрией и ЯМР-спектроскопию. Одну из молекул определили как индол-3-альдегид с функциональной иминовой группой. Молекула получила название индолимин-214. В слепой кишке мышей, колонизированных M. morganii, помимо индолимина-214 нашли другие соединения, сходные по структуре и свойствам, то есть бактерия производит целое семейство генотоксических индолиминов.

В дальнейших экспериментах ученые выяснили, что для синтеза индолиминов бактерии необходим ген aat. M. morganii с нокаутом этого гена не проявляла генотоксичности по отношению к плазмидной ДНК in vitro. Колонизация гнотобионтных мышей с колоректальным раком бактериальным сообществом с M. morganii, экспрессирующей aat, приводила к увеличению опухолевой нагрузки. Наконец, анализ данных из баз Cancer Microbiome и NCBI позволил ученым сделать вывод, что генотоксические индолимины могут индуцировать образование опухолей у людей. По их мнению, работа подчеркивает значимость функциональных исследований микробиома.