科研 | 结直肠癌患者的特有的微生物、代谢和生态特征
本文由褚福浩编译，董小橙、江舜尧编辑。
原创微文，欢迎转发转载。
导 读
目前，结直肠癌（CRC）与肠道微生物组之间的联系已经被揭示，但特定的微生物种类及其在癌症发生中的作用仍然是研究热点之一。通过解释肿瘤亚型，微生物群落相互作用及其代谢和微生态有助于我们更好地理解它们之间的关联。研究人员收集了83例接受部分或全部结肠切除术的患者的结肠肿瘤和正常癌旁组织及粘膜样本，对每个肿瘤样品错配修复（MMR）状态进行测定，并将其分为缺陷型MMR（dMMR）或准确型MMR（pMMR）肿瘤亚型。分别对样品进行16S rRNA基因测序、靶向代谢组学分析以及微生物群落间相互作用预测，以分析dMMR和pMMR患者的微生物组成，氨基酸和短链脂肪酸含量以及微生物相互作用网络，进而评估dMMR和pMMR微生物相互作用网络特性以及每种微生物的代谢影响。研究发现，在dMMR和pMMR CRC的微生物存在差异，其中脆弱拟杆菌和硫化原核梭杆菌在dMMR CRC中显著富集。代谢建模和代谢组学进一步证实，在pMMR CRC中脆弱拟杆菌的抑制和dMMR CRC中硫化氢的氨基酸代谢有所增加。整合肿瘤生物学和微生物生态学的方法突出了dMMR和pMMR CRC特有的微生物，代谢和生态特性。这种方法可以极大地提高我们定义、预测、预防和治疗结直肠癌的能力。
论文ID
原名：Distinct microbes, metabolites, and ecologies define the microbiome in deficient and proficient mismatch repair colorectal cancers
译名：错配修复准确型和缺陷型的结直肠癌患者特有的微生物、代谢和生态特征
期刊：Genome Medicine
IF：8.898
发表时间：2018年
通信作者：Nicholas Chia
通信作者单位：美国明尼苏达州罗切斯特市梅奥诊所个体医学中心
实验设计
实验设计路线图
实验内容
1.dMMR肿瘤与老年和早期近端肿瘤相关
对受试CRC志愿者肿瘤样本的错配修复（MMR）状态进行测定分析发现，在81名CRC志愿者中，有25名患有缺陷型MMR（dMMR）和58名患有准确型MMR（pMMR）。然而，患有dMMR CRC的个体的年龄明显大于pMMR CRC患者，并且更有可能患有早期近端肿瘤（表1）。
表1. dMMR或pMMR CRC的个体的人口统计学和肿瘤特征
2. 不同肿瘤MMR亚型的微生物群落存在最大差异
为了评估导致微生物群落数据变化的因素，研究人员对每个样本的微生物群落之间未加权的UniFrac距离进行PERMANOVA分析。MMR状态、肿瘤位置及状态（近端/远端，有/无肿瘤）、年龄、性别、BMI和样本类型（结肠组织和粘膜）等是潜在的差异预估因子。经数据边际分析和调整分析发现（表2），与其他因素相比，MMR状态对微生物群落产生最显著的差异，且与微生物的组成独立相关。此外，肿瘤与正常癌旁样本之间的差异也非常显著，表明肿瘤样本具有独特的微生物组。
比较MMR亚型之间的肿瘤与正常癌旁样本的UniFrac距离发现，dMMR亚型中的距离显著大于pMMR亚型中的距离，表明dMMR亚型中的正常癌旁样本微生物组具有潜在更强的扰动。
表2.影响微生物群落之间差异的因素
3.与pMMR和dMMR肿瘤相关的不同微生物群落
鉴于MMR状态对微生物群落差异的重要性和MMR亚型肿瘤与正常癌旁样本UniFrac距离的差异，研究人员选择独立评估每种MMR的肿瘤和正常癌旁样本中的微生物丰度。通过广义线性混合模型（GLMM）分析发现，与正常癌旁样本相比，在dMMR和pMMR肿瘤样本中鉴定了多个丰度差异的sOTU（图1）。在dMMR和pMMR肿瘤样本中，仅有Dorea longicatena显著性富集。根据MMR状态，有四种微生物与肿瘤或正常癌旁样本具有相反的关联：在pMMR肿瘤和dMMR正常癌旁样本中明显富含Faecalibacterium prausnitzii A2-165和Blautia sp.Marseille-P2398；在pMMR肿瘤和dMMR正常癌旁样本中明显富含Coprococcus （ATCC 27758）和Bacteroides massiliensis （B84634）；值得注意的是，通常与CRC相关的梭杆菌和脆弱拟杆菌在dMMR肿瘤样本中丰度差异显著，而在pMMR肿瘤样本中无差异。然而，无论样品位置如何，dMMR肿瘤样本中微生物丰度具有显著差异。
图1.与正常癌旁样本（结肠组织和粘膜）相比，（a，b，c）dMMR和（d，e，f）pMMR CRC的肿瘤样本丰度差异显著的前3种微生物。
通过对44名CRC患者的肿瘤和正常癌旁样本的开源数据进行验证分析，发现在肿瘤和正常癌旁样本中的dMMR和pMMR的微生物基因组存在几个重叠关联。dMMR肿瘤样本中富含脆弱拟杆菌（p = 0.02，FDR p = 0.37）和梭杆菌（p = 0.03，FDR p = 0.37），而dMMR正常癌旁样品中富含Dorea（p = 0.03，FDR p = 0.37）和 Erysipelotrichaceae（p = 0.007，FDR p = 0.31）。尽管这些关联在校正FDR后没有统计学意义，但它们的关联趋势与本研究的结果重叠。
4. 在dMMR CRC肿瘤中富集产生硫化氢的菌群
由于硫化源性F.nucleatum和F.periponticum在dMMR肿瘤样本中也显著富集，研究人员通过模拟硫化氢通量来评估组间（dMMR/pMMR，肿瘤/正常癌旁）潜在的硫化氢生成。通过开源的MICOM平台模拟微生物群落代谢来预测每个微生物群落内的硫化氢通量，发现在肿瘤样本中硫化氢通量呈现显著增加趋势（图2a）。为了更加具体地测量硫化氢的产生，研究人员通过靶向代谢组学分析来量化dMMR和pMMR肿瘤和正常癌旁组织样本中硫化氢的氨基酸代谢物（丝氨酸，高丝氨酸，羊毛硫氨酸，L-胱硫醚，D-胱硫醚）（图2b）。与dMMR或pMMR正常癌旁组织和pMMR肿瘤组织相比，dMMR肿瘤组织中羊毛硫氨酸有显著增加。与正常癌旁组织相比，dMMR和pMMR肿瘤组织中的高丝氨酸和L-胱硫醚也显著增加。结果表明肿瘤组织，特别是dMMR肿瘤组织，硫化氢的产生显著增加。
图2.(a)基于菌落代谢建模预测硫化氢通量，预测通量为每小时每克干重细菌的毫摩尔。(b)采用UPLC-MS方法定量分析dMMR和pMMR肿瘤和正常癌旁组织样本中硫化氢的氨基酸代谢产物
5. dMMR和pMMR肿瘤和正常癌旁样本的微生物群落受到不同的拟杆菌属物种的高度影响
为了进一步评估肿瘤与正常癌旁样本微生物之间与MMR状态相关的潜在代谢相互作用，研究人员构建了两个代谢影响网络（MIN,图3）。MIN强调每种微生物的预测影响和与群落中其他微生物相互作用（生长增强或抑制）。最要影响者（最大节点）通常由初级发酵菌组成，如拟杆菌（Bacteroides）或普氏菌（Prevotella）。然而，在dMMR中，正常癌旁样本的群落由具有高度影响力的B. caccae和B. ovatus决定，而在pMMR MIN中，肿瘤群落由D.longicatena和Bacteroides sp决定。这些不同的dMMR和pMMR群落似乎含有影响其他微生物群落的不同关键物种。同样值得注意的是，与dMMR MIN相关的F. nucleatum和F.periodonticum与网络中的其他微生物没有代谢相互作用，因此不包括在网络中。
图3 (a)dMMR和(b)pMMR微生物群落的微生物之间的影响网络。节点大小表示微生物对其他微生物的代谢影响。根据其影响的大小而定向和加权，边，表明一种微生物如何影响另一种微生物的生长速率。灰色边缘表示正相互作用，即生长促进，而红色边缘表示负相互作用，即生长抑制。
6.pMMR微生物群落可增强对脆弱拟杆菌的生长抑制
dMMR和pMMR微生物群落的MIN之间的差异仅与肿瘤或正常癌旁样本相关微生物群有关。为了更好地评估dMMR和pMMR群落作为一个整体对脆弱拟杆菌的影响，研究人员计算了相互作用得分，并对脆弱拟杆菌对每个微生物群落的相互作用的影响进行了丰度加权总和。dMMR和pMMR群落对脆弱拟杆菌的生长抑制存在统计学上的显著性差异，而pMMR群落对脆弱拟杆菌的抑制率明显增加，且与CRC无关（图4）。脆弱链球菌可能在dMMR CRC中发挥重要作用，而不是pMMR CRC，这与前文的GLMM结果一致。
图4. 不同肿瘤MMR亚型中其他微生物对脆弱拟杆菌生长的预测影响（加权影响评分）。负的影响评分表明微生物群落抑制脆弱拟杆菌生长。
鉴于这一发现以及产毒性脆弱类杆菌和结直肠癌之间已建立的联系[19,21,24]，研究人员进一步寻找dMMR和pMMR组织和粘膜样品中脆弱拟杆菌毒素（BFT）基因的存在。 在22例dMMR CRC患者中，只有1例BFT阳性（5％）；在53例pMMR CRC患者中，只有5例BFT阳性（9.4％）。因此， 在具有dMMR或pMMR CRC的个体之间BFT存在显著性差异。
结 论
这项研究提供了一个新的思路来检验结直肠癌：
1.宿主-微生物相互作用：肿瘤MMR亚型微生物群落存在差异，且与特有的微生物，代谢和相互作用特征相关。
2.微生物间相互作用：微生物影响网络提供微生物相互作用的模拟预测结果与体内代谢组学数据一致，在dMMR CRC中富集产硫化物的F. nucleatum及更高的硫化氢通量，pMMR CRC中脆弱拟杆菌的消耗和生长抑制率显著提高。
体内研究结果和计算机模拟的验证为精准医学研究提供了支持，能准确预测疾病以及预防性或治疗性干预对微生物组的潜在影响。理解和预测微生物群落见的相互作用是探究预防或治疗结直肠癌靶向机制的关键。
评 论
本文研究结直肠癌肿瘤和正常癌旁组织及黏膜样本微生物菌群之间的差异，揭示肿瘤亚型与微生物群落组成、代谢及其群落间相互作用的相关性。将肿瘤生物学和微生物生态学研究方法相结合，阐明dMMR和pMMR CRC特有的微生物，代谢和生态特性，有助于预测、预防和治疗结直肠癌。
你可能还喜欢