Durante anos, suspeitou-se que uma misteriosa toxina bacteriana presente no intestino humano fosse a causa do câncer colorretal. Agora, pesquisadores de dois laboratórios de Harvard flagraram a toxina em ação, danificando o DNA e criando exatamente os tipos de mutações há muito associados à doença.  

O novo estudo , publicado na quinta-feira na revista Science, é o primeiro a detalhar a estrutura da lesão no DNA formada pela colibactina, uma toxina natural produzida por bactérias intestinais comuns. A equipe de pesquisa foi liderada por Emily Balskus, do Departamento de Química e Biologia Química, e Victoria D'Souza, do Departamento de Biologia Molecular e Celular.

“Esta molécula tem sido um verdadeiro desafio para estudar porque é muito instável quimicamente”, disse Balskus, professor de Química da cátedra Thomas Dudley Cabot.

As descobertas, possibilitadas pelo financiamento dos Institutos Nacionais de Saúde (NIH), que foi interrompido e posteriormente restaurado, sugerem que a colibactina pode ser um alvo promissor para a prevenção dessa doença mortal.

A principal forma de DNA em nossas células é uma dupla hélice: duas cadeias torcidas juntas. Muitos carcinógenos danificam uma ou outra cadeia, mas a colibactina faz algo mais extremo — ela cria uma ligação cruzada.

“Uma ligação cruzada entre as cadeias significa que o agente que danifica o DNA reage com ambas as cadeias de DNA”, disse Balskus. “Ele liga as duas cadeias de DNA, criando uma forma particularmente tóxica de dano ao DNA da célula.”

Esse tipo de lesão pode levar à quebra de cromossomos, reparo defeituoso e mutações potencialmente cancerígenas.

“Sempre que a célula tenta fazer uma cópia do seu genoma de DNA, ela precisa desenrolar as duas cadeias”, disse D'Souza, professor de biologia molecular e celular. “A ligação cruzada representa um grande obstáculo para a replicação.”

O estudo foi produzido em colaboração com os cientistas Peter Villalta e Silvia Balbo, da Universidade de Minnesota. A equipe de Harvard também incluiu Erik S. Carlson, ex-bolsista de pós-doutorado no laboratório de Balskus, bem como os estudantes de pós-graduação Raphael Haslecker e Linda Honaker, do laboratório de D'Souza, e Miguel A. Aguilar Ramos, do laboratório de Balskus.

Os pesquisadores começaram fazendo uma pergunta aparentemente simples: a colibactina forma ligações cruzadas com qualquer sequência de DNA que encontra, ou tem locais preferidos?

A colibactina é uma toxina produzida por certas cepas de E. coli e outras bactérias intestinais que possuem um conjunto de genes biossintéticos conhecido como pks ou clb. Como o composto se decompõe rapidamente, a equipe teve que produzir colibactina usando bactérias vivas para sintetizá-la in situ em todos os seus experimentos.

Essas bactérias produtoras de colibactina foram usadas para gerar a toxina diretamente na presença de pequenos fragmentos de DNA. Os pesquisadores então mediram onde as ligações cruzadas se formaram, utilizando sequenciamento clássico baseado em gel, bem como espectrometria de massa, em colaboração com pesquisadores da Universidade de Minnesota.

Eles descobriram que a colibactina tem uma forte preferência por formar ligações cruzadas em trechos de DNA compostos principalmente de adenina (A) e timina (T). Para entender essa preferência, foi necessário recorrer à biologia estrutural, então o laboratório de D'Souza usou espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN) para construir um modelo estrutural da lesão.

“Acho que o maior obstáculo para resolver uma estrutura por RMN é a necessidade de muito material”, disse D'Souza. “A equipe conseguiu produzir o suficiente e superar esse grande desafio.”

A estrutura resultante explica por que a colibactina é tão seletiva. Segmentos de DNA ricos em AT possuem um sulco menor — o canal estreito em um dos lados da hélice — que é mais compacto e possui carga mais negativa do que em outras sequências.

Esses detalhes moleculares reforçam a necessidade de investigar mais a fundo as ligações entre bactérias produtoras de colibactina e o câncer colorretal. Já se sabia que a exposição à colibactina gerava mutações em sequências ricas em AT no genoma. Compreender a especificidade da colibactina agora explica a localização dessas mutações, que foram detectadas em cânceres colorretais.

Notavelmente, as mutações específicas atribuídas à colibactina são mais frequentes em tumores de pacientes mais jovens. Descobriu-se que a E. coli — principal produtora de colibactina — é mais abundante no microbioma intestinal infantil. Isso coincide com o período inicial da vida em que se acredita que os fatores de risco ambientais para o câncer colorretal de início precoce atuam.

Os resultados destacam o poder da colaboração interdepartamental, afirmam os pesquisadores.

“Quando um projeto é tão complexo quanto o da colibactina, não se pode esperar que um único grupo possua toda a expertise necessária para solucionar os problemas”, disse Balskus. “Em Harvard, nos beneficiamos enormemente do amplo acesso a especialistas de diversas áreas.”