סוגי סרטן ערמונית רבים תלויים בהורמוני אנדרוגנים, כולל טסטוסטרון, כדי לצמוח. לכן טיפולים במחלה מתקדמת מנסים לעתים קרובות להפחית את ייצור הטסטוסטרון או לחסום את השפעותיו. כעת, מדענים זיהו משתתף בלתי צפוי בכימיה של אנדרוגנים: חיידק מדרכי השתן האנושי שיכול להמיר את מבשר הסטרואידים DHEA לטסטוסטרון בתנאי מעבדה.
הממצא לא אומר שהחיידק גורם לסרטן הערמונית, וגם לא מראה שטסטוסטרון המיוצר על ידי חיידקים מגיע לגידולים או משנה את מהלך המחלה. עם זאת, הוא חושף נתיב מיקרוביאלי שלא היה ידוע בעבר להורמון שהוא מרכזי בביולוגיה של הערמונית, ומעלה שאלות חדשות לגבי האם המיקרואורגניזמים החיים ליד הערמונית יכולים לעזור לעצב את הסביבה הכימית שלה.
פורסם ב תקשורת טבעהמחקר הפגיש מומחים במיקרוביולוגיה, ביולוגיה של סרטן, כימיה, גנומיקה ופיזיקה חישובית. חוקרים מהמחלקה לפיזיקה של אוניברסיטת אובורן תרמו ביולוגיה מבנית חישובית שעזרה להסביר, ברמה האטומית, כיצד פועלת מכונות החיידקים החדשות שהתגלו.
אנחנו לא אומרים שהחיידקים האלה גורמים לסרטן. מה שאנחנו יודעים עכשיו זה שיש להם את המנגנון המולקולרי לייצר טסטוסטרון. מכיוון שסרטן הערמונית קשור כל כך לאיתות אנדרוגנים, זה משהו שכדאי להבין."
רפאל ברנרדי, פרופסור חבר במחלקה לפיזיקה של אוניברסיטת אובורן ומחבר שותף של המחקר
יכולת בלתי צפויה במיקרוביום השתן
במשך עשרות שנים, היה מקובל להניח שהשתן הוא סטרילי, ודרכי השתן לא נכללו בפרויקט המיקרוביום האנושי המקורי. מדענים יודעים כעת שהוא מכיל קהילה משלו של מיקרואורגניזמים, הנקראים לעתים קרובות מיקרוביום השתן או האורוביום. חלק גדול מהמחקר בתחום הצעיר הזה התמקד בקביעה אילו חיידקים קיימים והאם קהילות אלו שונות בין אנשים בריאים ואנשים עם מחלות. המחקר החדש שאל שאלה קשה יותר: מה בעצם עושים אותם חיידקים?
צוות המחקר בדק חיידקים שבודדו מדגימות שתן שנאספו מגברים לפני ביופסיה של הערמונית. כדי למצוא אורגניזמים המסוגלים להפוך סטרואידים, החוקרים פיתחו שיטת סקר מהירה בשם Human Sterolbiome Discovery High-throughput assay, או HSDH assay. בין האורגניזמים שהם זיהו היה Actinobaculum massiliense. כאשר הוא מסופק עם DHEA, החיידק ייצר מולקולות סטרואידים ביניים ובסופו של דבר טסטוסטרון.
DHEA, או dehydroepiandrosterone, הוא סטרואיד המיוצר באופן טבעי על ידי גוף האדם. רקמות אנושיות יכולות להשתמש בו כחומר מוצא לייצור הורמונים חזקים יותר, כולל טסטוסטרון. העבודה החדשה מראה שחיידק החי בדרכי השתן יכול לבצע כימיה דומה באמצעות האנזימים שלו.
"המיקרוביום של השתן נחקר לעתים קרובות על ידי שאלת אילו אורגניזמים נמצאים שם", אמר ג'ייסון מ. רידלון, שהמשיג את המחקר ופיקח עליו. "רצינו להבין מה אותם אורגניזמים מסוגלים לעשות. הגילוי של המסלול הזה לייצור אנדרוגנים נותן לנו גנים ואנזימים ספציפיים שניתן לחקור כעת בהקשר של בריאות השתן ומחלות".
לאחר שאישרו את יכולת ייצור הטסטוסטרון של החיידק, החוקרים חיפשו בגנום שלו את הגנים האחראים. הם זיהו שני מועמדים, שהם כינו dirA ו-dirB, עבור DHEA isomerase reductase. ניסויי מעבדה הראו ש-DirA היה רב תכליתי בצורה יוצאת דופן, מבצע כמה טרנספורמציות סטרואידים שונות ומאפשר לחיידק להגיע לטסטוסטרון דרך יותר ממסלול אחד. DirB יכול לבצע רק חלק מהכימיה הזו.
ההבדל הזה הציג פאזל. שני האנזימים נראו דומים בגדול והכילו רבים מאותם רכיבים כימיים, אך האחד התנהג כמו מכונה רב-תכליתית לעיבוד סטרואידים בעוד שלשני היו יכולות צרות הרבה יותר. פתרון הפאזל הזה דרש הסתכלות מעבר לגנים וצפייה במולקולות נעות.
צופה בכימיה בתנועה
באובורן, הקבוצה של ברנרדי יצרה מודלים תלת מימדיים של DirA ו-DirB והשתמשה בסימולציות מולקולריות כדי לעקוב אחר מה שקרה כאשר מולקולות סטרואידים נכנסו לכל אנזים. במקום להתייחס לחלבונים כמבנים קפואים, החוקרים יצרו סרטי אטום-אטום המציגים את האנזימים מתגמשים, הסטרואידים מסתובבים והמולקולות שמסביב משתנות לאורך זמן.
תנועה זו חיונית כדי להבין כיצד אנזימים פועלים. מולקולה לא מגיבה רק בגלל שהיא נכנסת לחלבון. החלק הנכון של המולקולה חייב גם לפנות לחלק הנכון של האנזים במרחק ובזווית הנכונים. סטרואיד יכול להישאר קשור בחוזקה בתוך אנזים ועדיין להיות חסר תועלת מבחינה כימית אם הוא מצביע לכיוון הלא נכון.
ההדמיות של אובורן גילו של-DirA יש כיס רחב ופתוח שנותן לסטרואידים מקום לזוז ולמצב את עצמו מחדש. גמישות זו מאפשרת לחלקים שונים של הסטרואידים להתקרב למנגנון הקטליטי של האנזים במהלך שלבים שונים של המסלול מ-DHEA לטסטוסטרון. ל-DirB, לעומת זאת, יש מנהרה פנימית צרה בהרבה. הסטרואיד יכול להיכנס ולהישאר בפנים, אבל החלל המוגבל משאיר אותו לעתים קרובות מתהפך או לא מיושר, כשהחלק שצריך להגיב פונה הרחק מהמנגנון הקטליטי.
"בקנה מידה זה, הכימיה תלויה בכוריאוגרפיה", אמר ברנרדי. "הסטרואיד צריך להיות במקום הנכון, פונה לכיוון הנכון, ברגע הנכון. אנזים אחד נותן לו מקום לעשות את זה. השני לא".
ההבדל הפשוט יחסית הזה בארכיטקטורה מולקולרית הסביר את תוצאות הניסוי. DirA יכול לתמוך במגוון רחב של תגובות מכיוון שלסטרואיד היה מספיק מקום להסתובב ולהציג חלקים שונים שלו בפני האנזים. DirB יכול לבצע רק את התגובות האלה התואמות לכיס המצומצם יותר שלה.
ראיסה רוזה, מועמדת לדוקטורט בקבוצתו של ברנרדי, ביצעה את המחקרים החישוביים ופיתחה את המודלים הקטליטיים בשיתוף עם ברנרדי. חוקרי אובורן שילבו מודלים מבוססי AI עם סימולציות של אטום אחר אטום, תוך שימוש בתוכנה שהקבוצה של ברנרדי סייעה בפיתוח.
"מבנה סטטי יכול להראות לנו שמולקולה נכנסת לתוך חלבון", אמרה רוזה. "הסימולציות אומרות לנו אם הוא יכול להגיע לאוריינטציה המדויקת הדרושה לתגובה והאם הסידור הזה נשאר יציב. במקרה זה, התנועות הללו עזרו להסביר מדוע שני האנזימים מתנהגים בצורה כל כך שונה".
שאלה חדשה לחקר סרטן הערמונית
טסטוסטרון ואנדרוגנים אחרים חיוניים להתפתחות ותפקוד תקינים של הערמונית, אך הם יכולים גם לקדם את הצמיחה של סוגי סרטן ערמונית רבים על ידי הפעלת הקולטן לאנדרוגן. מסיבה זו, טיפולים לסרטן ערמונית מתקדם שואפים לעתים קרובות לדכא ייצור אנדרוגנים או לחסום איתות אנדרוגנים.
הגילוי שחיידק בשתן יכול ליצור טסטוסטרון מציג שאלה חדשה: האם חילוף חומרים מיקרוביאלי יכול לתרום לסביבת האנדרוגנים ליד הערמונית? המחקר הנוכחי אינו עונה על שאלה זו. זה מוכיח שלחיידק יש את היכולת הביוכימית לייצר טסטוסטרון בתנאי מעבדה. החוקרים עדיין צריכים לקבוע אם המסלול פעיל בתוך גוף האדם, כמה אנדרוגן יכולים החיידקים לייצר שם, האם המולקולות הללו מגיעות לרקמה הקרובה והאם יש להן השפעה מדידה על ביולוגיה של הערמונית.
ובכל זאת, התגלית מספקת למדענים גנים ואנזימים ספציפיים לחקור. חוקרים יכולים כעת לחפש מערכי נתונים של מיקרוביום שתן עבור dirA ו-dirB, לקבוע עד כמה הם נפוצים ולבחון אם נוכחותם קשורה להבדלים בהורמונים בדרכי השתן, מצבי ערמונית או תגובות לטיפול.
"השלב הבא הוא לעבור מיכולת מולקולרית לרלוונטיות פיזיולוגית", אמר ברנרדי. "עכשיו אנחנו מבינים כיצד האנזימים החיידקיים יכולים לבצע את הכימיה. השאלה הגדולה יותר היא האם לכימיה הזו יש השפעה משמעותית בסביבה המורכבת של גוף האדם".
לעבודה עשויות להיות השלכות גם מעבר לחקר הערמונית. סטרואידים המצויים בשתן נמדדים במחקר ובאבחון רפואי, כמו גם בבדיקות לתרופות משפרות ביצועים. אם מיקרואורגניזמים יכולים להפוך את התרכובות הללו בתוך דרכי השתן, חילוף החומרים המיקרוביאלי עשוי להפוך בסופו של דבר לגורם נוסף שמדענים צריכים לשקול בעת פרשנות פרופילי סטרואידים בשתן.
המחקר הפגיש דגימות שמקורן במטופל, תרבות חיידקים, רצף גנומי, כימיה אנליטית, ביוכימיה של חלבונים וביופיזיקה חישובית. העבודה הניסיונית קבעה כי החיידק יכול לייצר טסטוסטרון וזיהתה את הגנים המעורבים. העבודה החישובית חשפה אז מדוע לאנזימים המקודדים על ידי אותם גנים יש יכולות שונות.
"אף טכניקה אחת לא יכלה לספק את הסיפור המלא", אמר ברנרדי. "הניסויים ביססו את המסלול הביולוגי, בעוד שהסימולציות חשפו את הבסיס הפיזי לפעילות האנזים. ביחד, הם אפשרו לנו לעבור מהתבוננות בייצור הטסטוסטרון להבנת איך זה קורה".
המחקר הפגיש חוקרים מאוניברסיטת אילינוי אורבנה-שמפיין, אוניברסיטת אובורן, אוניברסיטת וירג'יניה קומונווולת ובית החולים קרל קרן. ברנרדי הוביל את תרומת הביולוגיה המבנית החישובית של אובורן, בעוד רוזה ביצעה את המחקרים החישוביים ופיתחה את המודלים הקטליטיים. ברנרדי מוביל את קבוצת הביופיזיקה החישובית של אובורן, ושני החוקרים קשורים למחלקה לפיזיקה של האוניברסיטה ולמחלקה לכימיה וביוכימיה.
