镊子解开化疗对DNA的影响

康奈尔大学的一项新研究为常见化疗药物依托泊苷如何延缓和毒化使癌细胞蓬勃发展的必需酶提供了新的视角。

研究结果来自Michelle Wang实验室，James Gilbert White 物理科学特聘教授和艺术与科学学院霍华德休斯医学研究所研究员，将推进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选工具，用于识别可以改善患者治疗的药物机制。

该小组的论文“ Etoposide Promotes DNA Loop Trapping and Barrier Formation by Topoisomerase II ”于 1 月 30 日发表在Nature Chemical Biology 上。共同主要作者是研究专家 Tung Le 和博士后研究员 Meil​​ing Wu。

40 年来，依托泊苷一直是治疗多种癌症的值得信赖的化疗药物。依托泊苷通过靶向 IIA 型真核拓扑异构酶(也称为拓扑 IIs)使癌细胞能够复制而取得成功。

复制过程的中心是长长的、缠绕在一起的螺旋状 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 II 非常适合这项工作。他们表演了一种精心设计的绳索技巧，通过切割它来松弛超螺旋 DNA，很快将另一条 DNA 链从它的中间穿过，然后将切割的 DNA 重新连接在一起。所有这一切都是在不破坏 DNA 脆弱的遗传结构的情况下完成的——这是一种令人难以置信、速度惊人的生物学壮举，每天在体内发生大约 3000 亿次。

依托泊苷的一大优点是它可以在任何东西重新连接之前稳定 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不明朗。

“我们通常会问：研究发生在 DNA 上的分子机制的最佳方法是什么?” 王说。“为了了解这些酶是如何工作的，我们想要模拟细胞中可能发生的事情。运动蛋白拉动 DNA 或对 DNA 施加力。所以我们说，好吧，我们可以施加一个力，看看会发生什么。”

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由约翰霍普金斯大学 James Berger 教授领导的合作者提供的 topo IIs 的影响：酵母拓扑异构酶 II、人类拓扑异构酶 II α 和人类拓扑异构酶 II beta。

“DNA 拓扑结构，从概念上和扭转力学性能方面来说，人们真的很难掌握，”Wang 说。“研究它的方法很少。但我们恰好拥有合适的工具。我们之所以拥有正确的工具，是因为在过去的 20 年里，我们一直致力于开发它们。这些工具和这个问题恰好在正确的时间融合在一起。”

首先，研究人员使用光学镊子将 DNA 拉伸成各种结构，展示了依托泊苷如何压缩、释放和打断它，并创建 DNA 环。这种环捕获行为让所有人都感到惊讶，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，该团队使用光学镊子将 双链 DNA解压缩为两条单链，以高分辨率绘制蛋白质与 DNA 相互作用的图谱，从而模拟了结合蛋白质的运动去除。研究结果表明，依托泊苷可以将 topo II 转化为 DNA 加工机制的强大障碍。

他们的第三种技术是一种磁性镊子，他们用结合的 topo II 扭曲 DNA，并观察 topo II 以稳定的速度松弛 DNA。当他们添加依托泊苷时，他们发现这种化学物质交错了这种模式，引入了与超螺旋环的捕获相关的停顿。

通过捕获依托泊苷增强这些作用和干扰拓扑 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。

“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，”Wang 说。“我们所做的一切都模仿了体内发生的事情。我们只是以机械控制的方式来做。这就是它如此强大的原因。”

合著者包括博士生 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。

该研究得到了国立卫生研究院和霍华德休斯医学研究所的支持。