Een alledaagse darmbacterie produceert een carcinogeen

Kanker veroorzakende mutaties in het DNA kunnen het gevolg zijn van een alledaagse darmbacterie die veel mensen bij zich dragen. Onderzoekers van het Hubrecht Institute (KNAW) en het Prinses Máxima Centrum in Utrecht toonden dit aan. Zij stelden in het laboratorium gekweekte menselijke minidarmen bloot aan een variant van de bacterie Escherichia Coli en zagen dat deze bacterie een uniek patroon van DNA veranderingen achterliet in de cellen. Dit exacte patroon vonden de onderzoekers ook terug in het DNA van mensen met darmkanker, wat impliceert dat de mutaties veroorzaakt zijn door de ‘slechte’ bacteriën. Het is de eerste keer dat wetenschappers een direct verband leggen tussen onze darmflora en DNA-afwijkingen die kanker kunnen veroorzaken. Deze ontdekking maakt de weg vrij naar potentiële preventiemaatregels voor dikkedarmkanker door het verwijderen van de schadelijke bacteriën. De onderzoekers publiceerden de resultaten in het vakblad Nature op 27 februari.

Ons lichaam bevat minstens evenveel bacteriën als cellen. Terwijl de meeste bacteriën bijdragen aan een gezond leven, zijn sommige juist ziekteverwekkend. Onder de potentieel schadelijke bacteriën bevindt zich een variant van de zeer bekende Escherichia Coli (E. coli). Deze speciale variant van E. coli beschadigt het DNA doordat ze het chemische stofje colibactine uitscheiden. Daarom worden deze bacteriën genotoxisch genoemd. De genotoxische E. coli leeft in de darmen van 1 op de 5 volwassenen en wordt ervan verdacht schadelijk te zijn voor haar gastheer. “Op dit moment zijn probiotica te koop in de winkel waar genotoxische E. coli stammen in zitten. Daarnaast worden enkele van deze probiotica op dit moment gebruikt in klinische studies”, zegt Hans Clevers. “De probiotica die deze E. coli variant bevatten moeten kritisch worden geëvalueerd. Mogelijk geven ze verlichting voor lichamelijke ongemakken op de korte termijn, maar veroorzaken ze kanker decennia na gebruik.”

Schade in een schaaltje
Tumorcellen ontstaan door specifieke afwijkingen in het DNA. Factoren zoals UV-straling in zonlicht en roken kunnen leiden tot schade in het DNA, waardoor mutaties kunnen ontstaan, die op hun beurt de kans vergroten dat een gezonde cel verandert in een kankercel. Tot vandaag was het onbekend dat sommige bacteriën van onze darmflora op eenzelfde manier kankerverwekkende DNA-schade kan veroorzaken.

Een team van drie PhD studenten uit de onderzoeksgroepen van Hans Clevers (Hubrecht Institute) en Ruben van Boxtel (Prinses Máxima Centrum voor kinderoncologie) bestudeerden de schadelijke effecten van colibactine op menselijk DNA. Zij gebruikten hiervoor in het laboratorium gekweekte minidarmen, ofwel organoïden – een modelsysteem dat eerder door de onderzoeksgroep van Clevers werd ontworpen. Het team ontwikkelde een methode om gezonde menselijke minidarmen bloot te stellen aan de genotoxische E. coli. Na vijf maanden blootgesteld te zijn aan de bacterie, analyseerden de onderzoekers het aantal en het type mutaties in het DNA van de cellen.

Een verraderlijke vingerafdruk
Elk proces dat DNA beschadigt, laat een uniek patroon aan mutaties achter. Dit wordt een mutationele vingerafdruk of signature genoemd. Deze unieke signatures zijn vastgesteld voor verscheidene kankerverwekkende factoren, zoals tabaksrook en UV-straling. De aanwezigheid van een signature in het DNA van tumorcellen geeft informatie over blootstellingen in het verleden, die mogelijk hebben bijgedragen aan het ontstaan van de ziekte. “Deze signatures zijn heel waardevol in het vaststellen van de oorzaak van kanker en kunnen mogelijk zelfs behandelplannen bijsturen”, legt Van Boxtel uit. “We hebben zulk soort unieke patronen al in verschillende vormen van kanker geïdentificeerd, ook in enkele kinderkankers. In deze studie vroegen we ons af of de genotoxische bacterie ook een uniek patroon achterliet in het DNA.”

“Ik herinner me de opwinding toen het bewijs voor zo’n signature uit onze analyse naar voren kwam”, vertelt Axel Rosendahl Huber, “we verwachtten mogelijk een indicatie dat we in de goede richting zaten, maar de patronen waren direct ontegenzeggelijk. Zo duidelijk hadden we ze nog niet eerder gezien.’

Illustratie van colibactine die bindt aan een specifieke DNA-code. Bron: DEMCON | nymus3D, ©Hubrecht Institute.

De puzzelstukjes vallen op hun plaats
De genotoxische bacterie veroorzaakte twee mutatiepatronen in het DNA van de organoïden: een verandering van een A in één van de andere drie mogelijke basen van het DNA, en een verlies van een enkele A in een lange reeks van A’s. In beide gevallen was er – op drie tot vier basen afstand – een A aanwezig op de tegenoverliggende streng DNA.

Het team onderzocht via welk mechanisme colibactine het DNA beschadigt. “In het laatste stadium van ons onderzoeksproject ontdekten andere onderzoekers de chemische structuur van colibactine en hoe het een interactie aangaat met het DNA”, vertelt Cayetano Pleguezuelos-Manzano. Deze onderzoekers lieten zien dat colibactine in staat is om twee A’s tegelijkertijd te binden en een crosslink te vormen. “De puzzelstukjes vielen op hun plaats. Het patroon dat wij hadden ontdekt in onze experimenten past goed bij de chemische structuur van colibactine.”

Illustratie van de identificatie van een mutatie in een dikkedarmtumor. Rechtsboven: Het profiel van de bacteriële signature, of vingerafdruk. Specifieke mutatie zijn aangegeven met rood op het DNA-molecuul. Bron: DEMCON | nymus3D, ©Hubrecht Institute.

Van organoïde naar patiënt
Toen het team het mutatiepatroon van de genotoxische E. coli had geïdentificeerd, kon het op zoek naar sporen in het DNA van kankerpatiënten. De onderzoekers analyseerden meer dan 5.000 tumoren van tientallen verschillende vormen van kanker. Eén type kanker viel op: “Meer dan 5 procent van de dikkedarmtumoren liet het mutatiepatroon in hoge mate zien, terwijl het patroon maar in 0,1 procent van alle andere vormen van kanker voorkwam”, zegt Jens Puschhof. “Kun je je voorstellen hoe het is om maandenlang een mutatiepatroon te bestuderen in een schaaltje en het dan daadwerkelijk terug te vinden in het DNA van patiënten?” Het patroon was ook aanwezig in enkele andere tumorsoorten. Het ging hierbij om tumoren die ook bloot worden gesteld aan de bacteriën, zoals mondholtekanker en blaaskanker. “Het is bekend dat deze organen kunnen worden geïnfecteerd door E. coli en een volgende stap is om uit te zoeken of de genotoxiciteit ook effect heeft in deze organen. De gevonden signature gaat ons daarbij hepen.”

Een tijdige waarschuwing
Dit onderzoek heeft directe implicaties voor de gezondheidszorg. Ongeveer 20 procent van de mensen draagt de slechte variant van E. coli bij zich in de dikke darm. Hier kan preventief op getest worden. Een antibioticakuur kan de bacterie tijdig verwijderen. Mogelijk kan dit in de toekomst dikkedarmkanker voorkomen of kunnen tumoren in een vroeger stadium ontdekt en behandeld worden.

~~

In de video hieronder vertellen Cayetano Pleguezuelos-Manzano, Jens Puschhof en Axel Rosendahl Huber over hun onderzoek naar genotypische bacteriën:

Bron: Melanie Fremery and DEMCON | nymus3D, ©Hubrecht Institute.

Publication
A mutational signature in human colorectal cancer induced by genotoxic pks+ E. coli. Cayetano Pleguezuelos-Manzano*, Jens Puschhof*, Axel Rosendahl Huber*, Arne van Hoeck, Henry Wood, Jason Nomburg, Carino Gurjao, Freek Manders, Guillaume Dalmasso, Paul Stege, Fernanda Paganelli, Maarten H. Geurts, Joep Beumer, Tomohiro Mizutani, Reinier van der Linden, Stefan van Elst, The Genomics England Consortium, Janetta Top, Rob Willems, Marios Giannakis, Richard Bonnet, Phil Quirke, Matthew Meyerson, Edwin Cuppen, Ruben van Boxtel, Hans Clevers. Nature 2020.

This publication is the result of a collaboration between the group of Hans Clevers at the Hubrecht Institute for Developmental Biology and Stem Cell Research, the group of Ruben van Boxtel at the Princess Máxima Center for Pediatric Oncology, the UMC Utrecht, the University of Leeds, the Dana-Farber Cancer Institute/Harvard Medical School, University Clermont Auvergne, Genomics England and the Hartwig Medical Foundation.

Hans Clevers is groepsleider bij het Hubrecht Institute en het Prinses Máxima Centrum voor kinderoncologie, hoogleraar Moleculaire Genetica bij het UMC Utrecht en de Universiteit Utrecht en Oncode Investigator.

Ruben van Boxtel is groepsleider bij het Prinses Máxima Centrum voor kinderoncologie en Oncode Investigator.

This work was supported by a Cancer Research UK Grand Challenge award [C10674/A27140], the gravitation program CancerGenomiCs.nl and NOCI (024.003.001) from the Netherlands Organisation for Scientific Research (NWO), the Oncode Institute (partly financed by the Dutch Cancer Society) the European Research Council under ERC Advanced Grant Agreement no. 67013, a VIDI grant of the Netherlands Organisation for Scientific Research (NWO) (no. 016.Vidi.171.023).