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磁镊和酵母证实治癌药与超螺旋有关

来源:生物通
摘要:Jude儿童研究医院Delft大学研究人员说,喜树碱(camptothecins,可用以治疗癌症)杀灭癌细胞的机理与此相似。拓扑异构酶(topotecanpoisoning)的拓扑替康(topotecan,TPT)中毒,是通过迫使DNA堆积超螺旋激发细胞自杀的。利用名为磁性镊子(magnetictweezers)和酵母细胞,研究人员发现喜树碱类药物拓扑替康(topotecan)......

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  过度螺旋的电话线会使总长度变短,限制通话人移动的距离。St.Jude儿童研究医院Delft大学研究人员说,喜树碱(camptothecins,可用以治疗癌症)杀灭癌细胞的机理与此相似。拓扑异构酶(topotecan  poisoning)的拓扑替康(topotecan,TPT)中毒,是通过迫使DNA堆积超螺旋激发细胞自杀的。

        利用名为磁性镊子(magnetic  tweezers)和酵母细胞,研究人员发现喜树碱类药物拓扑替康(topotecan)通过抑制DNA拓扑异构酶I解螺开DNA双螺旋,杀灭癌细胞。紧密扭曲的DNA双链被称作超螺旋(supercoils),从过度缠绕的DNA分子上突出出来,如同过度缠绕的电话线的突出部份。如果这些超螺旋积聚并“顽固不化”,那么细胞在准备分裂而欲将DNA双链分开时会死亡。

        在这项突破性研究中,研究人员利用微型磁性镊子监控拓扑异构酶I引起的单个DNA分子的长度变化,研究单个拓扑替康分子与酶-DNA复合体相结合,改变DNA解链状态的方式。根据这些结果,研究人员发展了超螺旋理论,解释药物杀灭癌细胞的机理,然后在酵母细胞中检测该理论。文章刊登于近期《Nature》杂志。

        在细胞分裂之前,一个细胞机器拉开DNA双链,将两条连分为叉骨状的复制叉。双链分离是染色体复制的关键步骤,但这会增加复制叉头部DNA的张力,引起其弯曲为双螺旋。为保证复制叉持续拆开双链DNA,细胞利用拓扑异构酶I在超螺旋DNA两条链中的一条的核酸骨架上开出一个临时性的刻痕,这样消除了超螺旋,使复制叉能够继续分开双链。拓扑替康恰恰是利用了细胞准备分开双链时拓扑异构酶I与双链DNA结合的性质。

        已知道拓扑替康通过与拓扑异构酶和DNA链上的刻痕结合,捕获拓扑异构酶。拓扑替康-拓扑异构酶-DNA复合体改变为障碍物,抑制复制叉前进。目前的流行观点认为,拓扑替康杀灭癌细胞很容易,因为复制叉与捕获的拓扑异构酶冲突。Bjornsti的研究结果显示,复制叉头部积聚的正超螺旋才是细胞自杀的主要原因。

        研究人员利用磁性镊子技术,将磁珠上的双链DNA分子的一端绑定在玻璃表面,另一端保持静止,然后旋转一个罩在磁珠上部的微型磁铁,结果携带DNA的磁珠跟着旋转,将DNA扭曲为超螺旋,将其长度缩减到不到原来的1/7。

        向DNA添加拓扑异构酶,超螺旋会在几秒钟内解开,恢复原长。这说明酶在超螺旋上形成了一个缺口,消除了张力,使DNA伸展到原长。但存在拓扑替康时,拓扑异构酶解开DNA的速度会下降20倍。然而,奇怪的是药物结合减慢拓扑异构酶解开过度缠绕的DNA(正超螺旋)比DNA链重新缠绕为负超螺旋还要多。

        研究人员发现拓扑替康偏向于减慢正超螺旋DNA的解开速度,提示DNA超螺旋实际上是抑制复制叉前进,刺激细胞死亡。Bjornsti等决定通过研究喜树碱(拓扑替康是喜树碱的一个类似物或相关药物)对处于基因表达过程中的酵母细胞的效果,检测这个模型。Bjornsti小组首先将双链DNA环(质粒)插入酵母细胞中,得到一个研究喜树碱效果的模型。

        基因表达过程中,DNA链是分开的,细胞能够将遗传信息拷贝到RNA中。与DNA复制一样,基因表达需要DNA链的伸展,不同的是,转录机器产生的是mRNA。随着基因转录,DNA的解开在转录机器的前方形成正超螺旋,后方形成负超螺旋。

        当研究人员添加拓扑异构酶后,正超螺旋和负超螺旋以相同的速度消失,似乎是正超螺旋的消失是由与之相似的负超螺旋的消失平衡的。当再加入药物喜树碱后,拓扑异构酶解开正超螺旋的速度比负超螺旋消失的速度慢。这种现象证明拓扑异构酶的喜树碱(或拓扑替康)中毒,偏爱于刺激正超螺旋在解开DNA的复合体(如转录机器和复制叉)的头部聚积。

        然而,喜树碱不会引起正超螺旋在酵母细胞中聚集,酵母细胞表达的拓扑异构酶对这种药物有抗性。这进一步证明喜树碱类物质如拓扑替康,通过抑制拓扑异构酶解开正超螺旋而将细胞杀灭。(生物通  小粥)
作者: 2007-7-16
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