Naukowcy z Wydziału Nauk o Zdrowiu i Technologii ETH Zurich po raz pierwszy zmapowali wpływ narażenia na benzo(a) piren (BaP) na komórki płuc aż do poziomu pojedynczego nukleotydu. Wiadomo, że BaP, znajdujący się zarówno w dymie papierosowym, jak i dymie przemysłowym, powoduje uszkodzenia DNA. Badanie zespołu, opublikowane w czasopiśmie Centralna nauka ACSmoże stanowić nowy sposób przewidywania ryzyka raka w oparciu o ekspozycję pacjenta na BaP.

„Te odkrycia sugerują, że sekwencjonowanie uszkodzeń z rozdzielczością pojedynczych nukleotydów może być wykorzystane do identyfikacji czynników promujących akumulację indukowanych chemicznie modyfikacji w ludzkim genomie” – napisali naukowcy.

Integralność genomu komórki jest nieustannie kwestionowana przez chemiczne zmiany zasad DNA. Jak zauważyli autorzy, „różne środowiskowe ekspozycje chemiczne i leki wywołują skutki biologiczne poprzez alkilację DNA”. Wiadomo, że chemiczne modyfikacje zasad DNA, w tym addukty DNA, które powstają w wyniku reakcji z chemikaliami elektrofilowymi, wpływają na czynniki takie jak wzrost komórek lub mogą powodować błędne kodowanie podczas replikacji. Jednak zespół kontynuował: „… ocena potencjalnej genotoksyczności chemicznej opierała się na ilościowym określeniu ogólnego wzrostu poziomów uszkodzeń DNA, na przykład określonych za pomocą spektrometrii mas…”

Związek benzo[a] piren (BaP), na przykład, znajduje się w żywności, smole węglowej oraz dymie papierosowym i przemysłowym i jest znanym czynnikiem rakotwórczym dla ludzi, stwierdził zespół. Kiedy BaP dostaje się do organizmu człowieka i jest metabolizowany, metabolit może nieodwracalnie przyłączyć się do kwasu nukleinowego guaniny w DNA. Ludzie są zaopatrzeni w komórkowe zestawy naprawcze, które mogą odłączyć niepożądane metabolity, więc równowaga między uszkodzeniem a naprawą będzie miała wpływ na to, czy mutacje, które mogą powodować choroby, przenoszą się, gdy komórki się replikują.

W swoich badaniach Sturla i współpracownicy chcieli zbadać tę równowagę w ludzkich komórkach płuc wystawionych na działanie BaP i określić rozkład uszkodzeń DNA w całych genomach komórek. W tym celu naukowcy dodawali coraz większe ilości zmetabolizowanej wersji BaP do pożywki hodowlanej, w której rosły ludzkie komórki płuc. Następnie wykorzystali mapowanie DNA z rozdzielczością pojedynczego nukleotydu, aby określić, gdzie metabolit przyłączył się do guanozyn.

Ich wyniki pokazały, że chociaż istniała zależna od dawki zależność między ekspozycją a uszkodzeniem DNA, wzorzec pozostawał stabilny w całym genomie, pomimo zmian w stężeniu metabolitu BaP. „Badanie to dostarcza pierwszej mapy rozdzielczości pojedynczych nukleotydów wzorców uszkodzeń specyficznych dla ludzkiego czynnika rakotwórczego BaP w ludzkich komórkach” – stwierdzili. „Ponadto łączy w sobie ilościowe aspekty powstawania uszkodzeń DNA w całym genomie, uzyskane za pomocą analizy spektrometrii mas z profilami dystrybucji pochodzącymi z sekwencjonowania uszkodzeń”.

Ponadto wyniki pokazały, że rozkład uszkodzeń DNA był podobny do wzorca mutacji występującego w rakach płuc związanych z paleniem. „Ta nowa sygnatura uszkodzenia BaP miała profil bardzo podobny do sygnatur mutacji zidentyfikowanych wcześniej w genomach raka płuc u palaczy”. Odkrycie, jak zasugerowali, wskazuje, że ich metoda może pomóc w przewidywaniu mutacji genetycznych związanych z ludzkimi nowotworami. „Odkrycia te sugerują, że sekwencjonowanie uszkodzeń z rozdzielczością pojedynczego nukleotydu może być wykorzystane do identyfikacji czynników promujących akumulację indukowanych chemicznie modyfikacji w ludzkim genomie” – zauważyli.

Ponieważ wyniki przedstawiają pierwszą mapę wzorców uszkodzeń specyficznych dla BaP w ludzkich komórkach z rozdzielczością pojedynczego nukleotydu, naukowcy twierdzą, że ich badanie oferuje wgląd w dynamiczną naturę uszkodzeń DNA i procesów naprawy. „Tak więc dane te dają wgląd w to, w jaki sposób cechy genomowe kształtują akumulację produktów alkilowania w genomie oraz strategie predykcyjne w celu łączenia map uszkodzeń pojedynczych nukleotydów in vitro z mutacjami ludzkiego raka”.

Autorzy przyznali również, że chociaż analiza sygnatur uszkodzeń DNA ma potencjał przewidywania sygnatur mutacji, ich zgłoszone badanie opisał odpowiedź pojedynczego typu komórek w ustalonym punkcie czasowym, a tym samym dostarczyło migawki rozkładu uszkodzeń podczas dynamicznego procesu uszkodzenia DNA i naprawy. W związku z tym zauważyli, że „…potrzebne są dalsze prace z wykorzystaniem podejść ustalonych tutaj, aby rozwikłać zależną od czasu ewolucję profili uszkodzeń DNA i sygnatur w komórkach o zróżnicowanych cechach genetycznych i epigenetycznych, tworząc w ten sposób podstawę do wyjaśnienia mechanizmów mutagenezy całego genomu”.