康奈尔大学最新研究：镊子解开化疗对DNA的影响

新康奈尔大学的研究正在为常见的化疗药物依托泊苷，种马和中毒使癌细胞蓬勃发展的基本酶的方式提供新的视角。

来自Michelle Wang实验室，James Gilbert White物理科学杰出教授和艺术与科学学院Howard Hughes医学研究所研究员的研究结果将推动一系列癌症抑制剂的研究。该小组开发的技术还将能够创建敏感的筛查工具，以确定可以改善患者治疗的药物机制。

该小组的论文“依托泊苷通过拓扑异构酶II促进DNA环捕获和屏障形成”，于1月30日在Nature Chemical Biology上发表。共同主要作者是研究专家董乐和博士后吴美玲。

40年来，依托泊苷一直是治疗各种癌症的可靠化疗药物。依托泊苷通过靶向IIA型真核拓扑异构酶（也称为topo IIs）成功实现了癌细胞的复制。

复制过程的中心是长而缠绕的螺旋卷曲的DNA链。为了使癌症扩散，这些链需要被运动蛋白解开，旋转和复制。Topo IIs非常适合这项工作。他们执行一种精心制作的绳索技巧，通过切割超螺旋DNA来放松超螺旋DNA，非常快地将另一条DNA链穿过其中间，然后将切割的DNA重新连接在一起。所有这些都是在不破坏DNA微妙的遗传结构的情况下完成的-这是一种令人难以置信的，令人难以置信的快速生物学壮举，每天大约有3000亿次发生在体内。

依托泊苷的最大优点是它可以在重新连接任何东西之前稳定DNA双链断裂，从而防止癌细胞复制。然而，依托泊苷如何与DNA结构相互作用的复杂性仍然模糊不清。

“我们通常问：研究DNA上发生的分子机器的最佳方法是什么？”王说。“要了解这些酶的工作原理，我们想模仿细胞中可能发生的情况，运动蛋白会拉动DNA或对DNA施加力，所以我们说，好的，我们可以施加力并观察发生了什么。”

Wang的实验室使用三种不同的单分子操作技术来观察依托泊苷对三种topo II的影响，这三种topo II由约翰霍普金斯大学James Berger教授领导的合作者提供：酵母拓扑异构酶II，人类拓扑异构酶IIα和人类拓扑异构酶IIβ。

王说：“从概念上和扭转力学性质来看，DNA拓扑结构真的很难让人们掌握。“研究它的方法很少，但我们碰巧只有正确的工具，我们拥有正确的工具的原因是因为在过去的20年里，我们一直在努力开发它们，这些工具和这个问题恰好在正确的时候收敛。”

首先，研究人员使用光学镊子将DNA拉伸成各种构型，展示依托泊苷如何压缩，释放和破坏它，并创建DNA环。这种循环捕获行为让每个人都感到惊讶，因为它揭示了以前未知的依托泊苷的新影响。这意味着依托泊苷可以促进topo II在体内显着改变DNA结构和拓扑结构。

然后，研究小组使用光镊将双链DNA解压成两条单链，用于高分辨率绘制蛋白质与DNA的相互作用，从而模拟运动去除结合蛋白。研究结果表明，依托泊苷可以将topo II转化为DNA加工机器的强大障碍。

他们的第三种技术是磁性镊子的一种版本，其中他们用结合的topo II扭曲DNA并观察topo II以稳定的速率放松DNA。当他们添加依托泊苷时，他们发现化学物质交错了这种模式，引入了与超螺旋环捕获相关的暂停。

通过捕捉依托泊苷增强这些作用并干扰topo II功能的不同方式，研究人员现在拥有一个定量系统来表征其他拓扑异构酶药物的行为。

王说：“我认为这为我们提供了一套工具，使我们能够以非常全面的方式研究许多不同种类的拓扑异构酶和其他种类的药物。”。“我们所做的一切都模仿体内发生的事情，我们只是以机械控制的方式进行，这就是为什么它如此强大。”

共同作者包括博士生Neti Bhatt和研究专家James Inman；约翰霍普金斯大学医学院的James Berger和Joyce Lee。

该研究得到了美国国立卫生研究院和霍华德休斯医学研究所的支持。