Max Planck研究人员及其合作者揭示了体外结肠类器官的转化

2021年2月12日

大肠杆菌是人类肠道菌群的组成成员。但是，有些菌株会产生一种称为大肠菌素的基因毒素，与大肠癌的发生有关。尽管已经证明大肠菌素在宿主细胞的DNA中留下了非常特殊的变化，可以在结直肠癌细胞中检测到这种变化，但这种癌症的发展需要很多年，而使正常细胞变成癌变的实际过程仍然不明了。柏林马克斯·普朗克感染生物学研究所的托马斯·迈耶（Thomas F. Meyer）组及其合作者现在已经能够“诱捕大肠菌素”，从而诱导大肠癌细胞特征性的遗传变化并引起转化的表型–感染仅几个小时后。

免疫荧光染色显示，产生基因毒性大肠菌素的大肠杆菌（绿色）引起DNA损伤（由DNA修复蛋白γH2AX的存在，白色表示）和巨细胞增多（细胞异常扩大）（右）。对于感染了大肠杆菌杆菌素合成缺陷的突变大肠杆菌菌株（大肠杆菌ΔclbR）的细胞，则未观察到这一点（左图）。细胞和DNA肌动蛋白丝的鬼笔环肽（红色）染色显示为蓝色。

超过三分之二的结直肠癌患者的肠道中会携带产生大肠杆菌的大肠杆菌菌株，并且在西方世界，携带者的数量正在增加。某些细菌种类与某些形式的人类癌症之间存在联系的流行病学证据十分丰富，但仍然难以提供证明广泛的预防策略所需的直接证据。Meyer的团队最近通过鉴定宿主细胞中的遗传签名大肠菌素叶，并证明可以在大肠癌亚组中检测到这种关联，首次提供了明确的证据。

现在，他们通过利用类器官来观察转化本身，迈出了重要的一步。这项新技术使培养3D球形形式的正常原代结肠上皮细胞成为可能。这些空心的“微型器官”是由成年干细胞产生的，这些干细胞驱动结肠粘膜的快速周转。在该技术出现之前，体外感染实验需要已经部分转化的细胞系，因此不适合概括癌症发展的早期阶段。测试是否产生大肠杆菌素对宿主细胞有任何持久影响，研究小组将其类器官感染了三个小时。这已经足以诱发大肠癌的特征性变化。受感染的细胞不仅开始比正常细胞增殖更快，而且一部分细胞不再需要生长培养基中存在Wnt蛋白。

生长因子驱动干细胞周转

这个关键的“生长因子”存在于结肠腺底部干细胞周围的环境中，并促使其翻转。在健康条件下，一旦细胞离开了这个含有Wnt的利基，就可以防止细胞的不受控制的增殖。“然后它们停止增殖并接管消化功能，直到到达表面后才被腐烂，被连续不断的细胞流推动离开干细胞生态位，”最近建立其研究的资深作者之一迈克尔·西加尔（Michael Sigal）说。柏林Charité大学医院自己的实验室，对这一现象进行了更详细的研究。他进一步解释说：“在类器官培养物中可以观察到相同的现象：它们需要Wnt持续存在才能保持生长。没有它，细胞就会分化并在不久后死亡。”

如对于受感染的类器官观察到的，这种生长因子独立性是早期结直肠癌细胞的特征。这些类器官的测序表明它们包含许多突变，包括大的结构变化，这些结构变化导致染色体的整个部分丢失，获得或重新排列。“令人惊讶的是，我们没有观察到直接参与Wnt信号转导的基因中的突变，已知这些基因会导致遗传突变的患者导致大肠癌。相反，我们发现了与p53信号转导有关的突变，”该新技术的第一作者Amina Iftekhar说。这种重要的肿瘤抑制因子被称为“基因组守护者”，到目前为止，只有很少的研究表明它也可能影响Wnt依赖性。

p53信号通路中的突变

托马斯·迈耶（Thomas F. Meyer）解释说，这些发现与大型癌症测序计划的证据十分吻合：“很明显，结直肠癌可以通过不同的机制产生。在慢性炎症驱动的情况下，例如结肠炎或克罗恩氏病，其中产生大肠杆菌素的大肠杆菌菌株尤为突出，p53的突变确实是早期事件。” 他们观察到的大的染色体重排在大多数大肠癌病例中都发现。

迈耶认为，这具有重要意义：“尽管大多数结直肠癌患者携带产大肠杆菌素的大肠杆菌，我们感到困惑的是，只能以很小的比例（最多百分之十）检测到大肠菌素签名。现在，我们的新结果表明，特征标记是从DNA受损部位正确去除交联的结果。如果此修复过程受到威胁或修复机制过载，则当受损细胞试图克服DNA交联时，似乎会发生总体染色体变化和染色体畸变。这种不良修复的证据在大肠癌中很常见，表明大肠菌素的致癌作用可能大大超过仅通过签名提示的病例的百分之十。

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