综述 | Gut：国际癌症微生物组联盟发出共识声明：人类微生物组在癌症中发挥作用
本文由晚香编译，玛莉、江舜尧编辑。
原创微文，欢迎转发转载。
在过去的十年里，在二代测序平台、组学技术和先进的生物信息学方法的推动下，肠道微生物组和癌症的研究数量激增。人类基因组是遗传的，基本上是静态的由大约20000个基因组成；与之相反，人类微生物组是后天获得的，在整个生命过程中呈动态变化，包含大约1000万到2000万个非冗余基因。人类的微生物群曾经被认为要么是病原体，要么是引起传染病的病原体，要么是被动的旁观者。在研究共生微生物的有益功能时，研究者已经摆脱了这种二分法思想，转而采用一种新的、更微妙的思维模式，即宿主微生物对生理学和病理学都有贡献。根据定义，共生微生物不会伤害它们的宿主。同样，病原体的定义也取决于它们引起疾病的能力。然而，作者现在认识到，病原体与无宿主病菌共存，以及在某些条件下可能导致疾病的所谓共生体占据了一个很大且界定不清的中间地带。本文主要研究后者，它可以被认为是动态共生的一组有机体，其生存性质可能沿着从互利共生和共生到寄生和偏害共栖的幅度变化。为了简单起见，我们将把这组动态共生体称为人类微生物组。
基因和环境因素并不能完全解释个体的癌症风险。为什么生活方式和年龄相似的一些人（在很大程度上基因相同）会得癌症，而其他人却不会呢？DNA复制错误的随机分布是一部分原因，但是个体间微生物组组成和功能的显著差异加上已知的和正在出现的潜在致癌性微生物-宿主相互作用，表明人类微生物组也可能是驱动癌症风险的一个重要辅助因素。相关研究也在慢慢证明这一假设。国际癌症微生物组联盟（ICMC）成立于2017年，旨在研究人类微生物组在肿瘤学领域发挥的作用。ICMC由肿瘤学和微生物学的学术和临床专家组成，其目的是促进教育和国际研究合作。在其首次会议上，ICMC主持了为期1天的圆桌讨论，以汇集当前的研究成果，并就人类微生物在致癌过程中的作用达成专家共识。在生成书面文件之前，确定了5个关键主题并依次进行辩论，随后专家们对书面文件进行了修订，以达成最终共识。
图1：微生物学文献中的关键术语
论文ID
原名：International Cancer Microbiome Consortium consensus statement on the role of the human microbiome in carcinogenesis
译名：国际癌症微生物组联盟发出共识声明：人类微生物组在癌症中发挥作用
期刊：Gut
IF：17.016
发表时间：2019年
通信作者：Julian R Marchesi
通信作者单位：伦敦帝国理工学院，外科与癌症学系
声明来源
这份共识声明中，一个国际专家小组就人类微生物菌群对致癌作用这一关键问题发表意见。肿瘤学和/或微生物组专家通过个人交流组成了一个小组。在为期一天的圆桌讨论中，采用结构化、迭代化的方法就微生物学-肿瘤学研究中的关键问题达成共识。18位专家参加会议，并就以下五个关键问题进行了讨论：（1）肠道菌群失调/改变与癌变的关系；（2）微生物致癌的潜在机制；（3）描述人类微生物群如何推动致癌的概念框架；（4）微生物与癌症是因果关系与关联关系；（5）未来的研究方向。专家小组认为，尽管有某些程度的支持性证据，但目前还没有直接证据表明人类共生微生物群是癌症发病的关键决定因素。该小组指出，缺乏大规模的纵向队列研究是主要的决定因素，并同意这应该是未来的研究重点。然而，尽管承认证据的不足，专家的意见是，微生物组，连同环境因素和表观遗传/遗传上较敏感的宿主代表了驱动癌症发生的三方、多向相互作用模式的一个支撑点。
图2：采用多阶段、结构化、迭代的方法。
图3：失调和微生物组的引文。
结果
1问题一：生态失调的概念与癌症的发生有何关系（表1）？
表1：生态失调的概念与癌症的发生有何关系？
当考虑到微生物组对疾病的影响时，文献中经常使用“生态失调”一词，并且该说法主要是基于16S rRNA基因测序数据相对丰度中推断的结果。但是，这个术语描述地模棱两可，在科学界备受争议。因此，作者试图在癌症发生的背景下对“生态失调”这一属于进行重新定义。生态失调被定义为宿主共生微生物生态系统的组成和/或功能的异常，并且该异常超过其恢复能力，并对宿主产生负面影响。然而，生态失调很可能是宿主特异性和疾病特异性的一类微生物在这一个体中可能是失活的，但在另一个体中非如此，和/或者引起这一疾病但并非引起另一种。因此，生态失调并不是绝对的，并且不能脱离宿主和疾病之外的背景进行定义。专家一致认为，宿主微生物组组成和/或功能异常或生物异常与癌症的发病机制有关。但是，如何解释这些异常，甚至是关于什么属于“正常”微生物的共识都难以达成？作者之所以强调这一点是因为大多数癌症的发生有很长的滞后期，如果没有长期的随访就很难确定一个人是否像看上的那样健康。微生物组个体之间的变异远超过与疾病相关的特异情况间的变异。这种变化可能与微生物菌群功能冗余的程度有关。反过来，一些功能保守甚至可能是应变特异性的。16S rRNA分类图谱不能解释这个细节问题，取而代之，研究人员正在考虑是否存在一个核心元基因组或代谢组与此相关。
研究者认为，功能方法在讨论正常和失调方面更为有用。关于癌症发病机制，研究者认为生态失调应该被认为是宿主微生物菌群从健康相关的稳定状态（互惠共生菌）向癌症表型症状的持续偏离（寄生或偏害共栖）。这种生态失调是个体特有的，因此只能通过前瞻性纵向分析来界定。例如，根据目前的文献，健康相关的肠道微生物类群有哪几个核心特征。菌群是多样化的并且对短期的环境压力具有适应力，而且当宿主面临长期压力时依然具有足够的可塑性以适应宿主有益的方面。健康相关的微生物菌群应该与宿主有协同作用，以有利于促进宿主免疫反应和代谢。最终，微生物发挥对肿瘤的抑制作用。当背离这些核心特征时即可被确认为生态失调，并且有可能诱发或维持癌症的发生。值得注意的是，其它生态位与健康相关的菌群将会具有不同的核心特征。
2问题二：人体微生物可能参与癌症发生的广泛分子机制是什么（表2）？
表2：人体微生物可能参与癌症发生的广泛分子机制是什么？
在分子水平上，微生物促进肿瘤发生机制是多种多样的，这在其它地方也有广泛的讨论。其机制大致可分为基因组整合、基因毒性、炎症反应、免疫和代谢几方面。这些机制中有许多可能并不会在宿主体内引起病变，耳饰作为附带性损害，因为有机体优化了自己的生存机率。最终，所有机制都汇聚在延长宿主细胞生存、增强复制能力和去分化的共同途径上。
基因组整合：微生物DNA整合到宿主基因组中是多种病毒的毒性机制，这些病毒与癌症的发生是因果关系。人乳头状瘤病毒（HPV-16和HPV-18）引起的宫颈癌就是一个典型的例子。将两种HPV基因E6和E7插入到宿主宫颈细胞基因组中，由于其蛋白衍生物与肿瘤抑制基因产物（p53和pRB）进行结合使其失活，因此其具有生存优势。注意，这种机制依赖于病毒蛋白的转录，而转录对宿主具有致癌作用。这一机制与插入突变形成了鲜明对比，插入突变指的是外源遗传物质的插入导致宿主基因表达失调。如果涉及到宿主基因是肿瘤抑制基因或致癌基因，细胞向致瘤表型的转化可能就会随之而来。插入突变通常与逆转录病毒有关，并被认为是导致人类T-细胞淋巴细胞性病毒致癌性的原因之一。
图4：有关微生物致癌机制的引文。HPV：人乳头状瘤病毒。
基因毒性：指的是DNA结构的损伤，例如链断裂、加和物、缺失和重排。如果宿主DNA损伤不导致细胞死亡，则可能影响肿瘤抑制基因或具有致癌作用的致癌基因。细胞致死肿胀毒素（CDT）和另一种多聚乙酰-肽的基因毒性物质（colibactin）此两种是具有明显特征的基因毒素。CDT由大肠杆菌和空肠弯杆菌等产生，通过其DNA酶活性诱导双链DNA的断裂。CDT缺陷型在小鼠CRC模型中具有减弱致癌的潜力。肠杆菌科家族也能产生可诱导DNA链断裂的大肠菌素，并于人类的CRC相关。除了特定的毒素，细菌代谢物也可能发挥基因毒性作用。活性氧（由卟啉单胞菌属产生）和硫化氢（由嗜胆菌属和梭菌属产生）是与结直肠肿瘤相关的两个例子
炎症反应：无论病因如何，炎症都是癌症发生的一个中心特征，并且是与癌症相关的众多明确的、因果性的与微生物相关的主要致癌机制。微生物毒力因子可诱导宿主组织的慢性炎症，刺激细胞增殖，最终导致细胞增殖失调，无法凋亡，最终导致恶性表型的发生。这些作用可能是由微生物与特定宿主细胞的细胞内信号通路相互作用介导的。例如，梭形杆菌可以诱导激活核转录因子kB （NF-kB）通路，并且F . nucleatum和脆弱拟杆菌具有毒力因子来负调控钙激活WNT /β-catenin信号并使细胞增殖。产肠毒素脆弱类杆菌会分泌毒素刺激TH-17/IL-17依赖型结肠炎并促进肿瘤发生。除了直接作用的器官特异性效应之外，有证据表明微生物相关的分子模式可以与宿主的识别受体进行相互作用，例如Toll样受体（TLR）和核苷酸结合寡聚样受体（NOD），并在远端器官中促进炎症的发生。细菌脂多糖和TLR4之间的相互作用导致细胞生存信号下游通路的激活，该现象说明肠道微生物菌群可能是通过这一机制参与了胃肠道外的癌变。
免疫作用：人类微生物菌群和免疫系统之间的相互作用不管是对于特异反应性和自身免疫性还是癌症等一系列的病理学研究都具有重要意义。宿主免疫系统可以通过诱导具有肿瘤潜能的异常性宿主细胞死亡，这对于预防肿瘤发挥着关键作用。微生物可能会在多个方面干扰这一过程。HIV病毒对CD4+ T淋巴细胞有趋向性，这削弱了宿主检测潜在肿瘤细胞的能力，并增加了致癌率。梭形杆菌表达Fap2细胞表面蛋白，与T细胞和自然杀伤细胞相互作用，抑制抗肿瘤细胞毒性。虽然微生物群可能抑制宿主免疫，但在健康状态下，假设微生物群-免疫相互作用有助于促进抗癌免疫监测系统的免疫功能。并以此提出了多种机制，包括扩大T细胞受体作用和增强免疫反应强度。
代谢：除了免疫系统，新陈代谢是宿主和微生物相互作用的第二个关键水平。人体微生物菌群含有许多可以影响膳食纤维、营养物质代谢、外源物质和宿主产生的化合物的基因，例如胆汁酸。从饮食和各种癌症之间的联系中观察到，细菌代谢似乎是一个关键的辅助因素。与CRC相关，肠道菌群可以将膳食纤维代谢成短链脂肪酸（SCFA），如丁酸盐，并通过免疫细胞的抗炎作用和抗肿瘤增殖作用在抑制肿瘤的发生中发挥重要作用。相反，胆汁酸和蛋白质通过细菌代谢后也可形成具有致癌作用的芳香胺和硫化物的形成。不仅如此，在外界环境中微生物的代谢也可导致致癌物的产生，例如酒精的代谢物乙醛的产生。但是，微生物的代谢作用最终取决于宿主因素。例如，在MSH2基因（编码DNA错配修复中关键作用蛋白）缺陷的小鼠体内，微生物代谢产生的丁酸盐促进结肠细胞的过度增殖诱导CRC。
3问题三：什么概念框架最能描述人类微生物促进致癌作用（表3）？
表3：什么概念框架最能描述人类微生物促进致癌作用？
传统的致癌物一般为诱发剂可引起DNA损伤并诱发癌变。这一概念框架也可以用于解释已确立的微生物致癌，这些致癌物可以直接通过基因组整合诱导DNA损伤（如HPV），也可以通过免疫抑制（如HIV）和/或慢性炎症（如HCV）间接诱导DNA损伤。但是，人类微生物菌群如何促进癌症发生的机理尚不清楚。基于体外和小鼠体内数据，Sears和Pardoll提出了α-bug假说，该假说认为宿主微生物菌群的关键成员具有特定的毒力特征，这些特征既可以直接致癌也可以将微生物群落改造成致癌表型。他们认为ETBF是有可能是一种α-bug，其可以通过B. fragilis毒素直接导致结肠上皮细胞损伤，并通过改变黏膜免疫功能和细胞内信号通路间接导致结肠上皮细胞损伤。相关研究证实了这一假说，研究人员已经证明，大肠组织中ETBF的高丰度与早期癌变有关。然而，许多关于肿瘤微生物组的研究结果有很大的差异，并未出现假定的α-细菌的过剩。Tjalsma等针对这一结果对α-bug假说进行了改进。Tjalsma等人一致认为，某些细菌驱动因子（类似于α-细菌）与最初上皮细胞DNA损伤有关系，这种损伤会导致肿瘤的产生。但是Tjalsma等人提出致癌过程创造的独特肿瘤微环境有利于“乘客细菌”的增殖逐渐高于“司机细菌”。因此，结直肠肿瘤微生物菌群经历了与肿瘤分割时期相关的时间演化过程。对结直肠癌不同时期细菌群落观察数据也证实了这一假设。司机-乘客模型并不排除细菌“乘客”在癌症发展过程中发挥的积极作用。众多研究中表明，梭形杆菌属可以在CRC组织中定植，是一种典型的“乘客”细菌。结直肠肿瘤中含有丰富的氨基酸，该类物质既是生长底物也是细胞表面受体的配体，这种原因可能导致了梭形杆菌属的过剩增殖。梭形杆菌属也可能通过与细胞内信号通路和免疫细胞的相互作用促进了肿瘤的发生。
图5：描述微生物引起癌变概念框架的引文。
虽然这些模型可以从研究和调查的关键结果对肿瘤微生物菌群的机制进行解释，但可能无法从宏观层面解决癌症的病因发病机制。例如，环境暴露，如饮食，是如何增加癌症风险？宿主遗传因素的影响是什么？这些是癌症发展的独立危险因素还是与微生物协同作用的结果？基于以上问题，研究者提出了一个基于相互作用概念的框架来模拟微生物菌群在癌症发展过程中的作用。在这个模型中，研究者认为癌症是微生物菌群、环境和表观遗传/遗传上敏感的宿主之间或有害、或三方、或多方位相互作用的最终结果。三者的作用会因癌症亚型的变化而有不同。例如，就CRC而言，微生物菌群似乎是必要的但不足以致癌；化学或遗传啮齿动物CRC模型支持假设，但是该模型显示在无菌环境下肿瘤明显减弱或不发展。细菌的驱动功能是环境信号的关键转导因子，可以刺激易感宿主的癌变（如特异性TLR基因多态性）。肿瘤的发展可能取决于持续暴露于环境刺激、微生物群功能的不适应/适应性变化和/或宿主反应。
4问题四：人体微生物群与癌症发病的关系是因果关系还是关联关系（表4）？
表4：人体微生物群与癌症发病的关系是因果关系还是关联关系？
尽管重新评估考虑了现代基于序列的细菌鉴定，Koch的假设不能用于证明宿主微生物群引起癌症的原因，因为它不是一种传染媒介。癌症的发展是由多种危险因素和保护因素对个体的累积影响决定的。尽管如此复杂，但在单一生物体水平上，微生物作为致癌物（或危险因素）的作用已得到很好地验证。国际癌症研究机构（法国，里昂）将多种病毒，包括人类疱疹病毒8型相关的HPV病毒、乙型和丙型肝炎病毒、eb病毒和艾滋病毒列为第一类致癌物。幽门螺杆菌、血吸虫和肝吸虫也可致癌。这种因果关系是建立在Bradford Hill标准上的，该标准可大致分为以下几类：来自研究的直接证据表明暴露和结果之间的关系是因果关系；联系暴露和结果的机械性证据，以及支持研究中提出的因果关系的平行证据。例如，Uemura等人具有里程碑意义的前瞻性研究为幽门螺杆菌与胃癌之间的因果关系提供了直接证据（这在一段时间内备受争议），该研究表明，与没有感染的人相比，感染幽门螺杆菌的人中约有3%发生了胃癌。这一发现得到了大量研究的支持，这些研究表明幽门螺杆菌参与胃癌发生的机制，包括慢性炎症和由多种确定的毒性因子和效应物（如CagA、cagPAI和VacA）介导的直接基因毒性效应。平行的证据来自随机试验，表明根除幽门螺杆菌后胃癌发病率下降。值得注意的是，并不是所有感染幽门螺杆菌的人都会患上胃癌。感染本身并不足以引起疾病；还有其他因素控制着个体的易感性。
图6：人类微生物组和癌症发生之间的潜在因果关系的引文。
相比之下，人类共生微生物群与癌症的发展之间还没有建立牢固的因果关系。微生物菌群的性质对因果关系的证明提出了几个挑战。微生物菌群（包括病毒组、肠内真菌群落和其它生物体）比一个单独的因素（如吸烟或单个生物体的定殖）复杂几个数量级。微生物菌群是动态发展的，随着年龄、环境暴露（如饮食、抗生素和一些手术）以及癌症本身的发展而变化。虽然许多癌症类型都存在因果关系，但是肠道微生物菌群在结直肠癌发生中的作用受到最多的关注，也为此提供了有力的证据。类似的证据来自于小鼠研究，这些研究中化学或基因上易于发生肠道肿瘤的无菌小鼠与传统饲养的小鼠相比发生肿瘤的更少，而将小鼠暴露于特定的细菌或CRC患者的粪便中可增强癌变作用。人类研究已经证明，CRC微生物菌群区别于附近正常组织，表现为菌群多样性减少以及潜在的保护功能的微生物类群相对丰度较低和致病性菌群丰富度的升高（如梭形杆菌属、拟杆菌属、弯曲杆菌属、埃希氏杆菌属、卟啉单胞菌属）。但是，目前不清楚这种群落结构的改变是CRC发展的因素还是次要地进化到独特的肿瘤微环境。研究表明，微生物菌群组成与肿瘤发展时期呈线性关系，可通过腺瘤-癌序列，也可通过其它组织学肿瘤特征，比如淋巴血管和神经周围浸润。这些发现至少与发病病因相一致，也同时反映了肿瘤微环境的变化。然而，结直肠癌患者正常结肠粘膜与健康的对照组相比也显示出分类上的组成差异（例如，富含可产硫化氢的沃氏嗜胆菌），这说明未涉及到的有一个独立于微环境之外的潜在的领域的变化。尽管如此，由于目前的研究是单时间点抽样的研究，没有来自大型队列研究的前瞻性纵向数据，因此缺乏直接证据来支持人类中的因果关系。其它癌症类型和微生物组的证据通常比肠道微生物组和CRC的证据要弱，因此也无法得以证实。
5问题五：为进一步了解微生物在癌症发生中的作用，未来主要研究方向是什么（表5）？
表5：为进一步了解微生物在癌症发生中作用，未来主要研究方向是什么？
为了对因果关系作出更明确的说明并产生真正的转化影响，该协会提出了未来微生物组和癌症研究的几个关键方向。
大型纵向国际队列研究：由于暴露和表型之间的时间差以及潜在致病因素之间复杂的相互作用性质，证明癌症中的致病因素是困难的。然而，这些困难可以通过开展大规模的、国际性的、纵向队列研究来克服，例如欧洲癌症与营养前瞻性调查（EPIC）和Framingham研究。在微生物组领域开展这类研究并非没有挑战，但从检测相关性转向因果关系是必要的。
增加干预性研究：观察性研究提供了有关癌症中微生物组组成和功能的宝贵知识，但如果我们要将其转化为患者的利益，就必须更加重视干预研究。我们需要进一步了解微生物菌群是如何影响癌症的，例如，早期研究表明使用抗生素可能增加祸患癌症的风险。
与其它肿瘤学研究相整合：实现上述三个目标的方法之一是将微生物组研究纳入到肿瘤学研究和临床试验中。临床试验经常对疾病的发病机制方面进行深入研究这点比较常见。考虑到宿主微生物群可能参与癌症的发病机制、癌症诊断以及化疗、免疫治疗和放疗的疗效和毒性，微生物群分析将是许多肿瘤学试验中一个相关的研究角度。通过饮食改变等干预措施进行的初级或中级癌症预防研究就是最好的例子。
图7：关于未来研究方向的引文。
报告微生物组研究的标准化和透明度：微生物组科学吸引了科学家、临床医生和公众的想象力，但往往用复杂的组学方法蒙蔽消费者，同时未能发挥其转化潜力。这引发了公众对整个领域的批评。报告准则已成为基础研究和临床研究等许多方面的必要准则，小组欢迎将类似的框架应用于微生物组研究。实验和分析方法的透明性报告与详细的元数据对于提高重现性至关重要。
讨论
在这一共识声明中，我们反思了当前专家对人类微生物群是否在癌症病因形成中起致因作用这一关键问题的意见，主要是CRC。虽然特定微生物致癌的原因是毋庸置疑的（例如幽门螺旋杆菌），但是从更广泛的意义上证明人类微生物菌群的因果关系具有挑战性。在体外、小鼠和人体断层解剖研究中具有可信和大量的支持证据。然而缺乏来自大型纵向队列研究的直接证据，这应该成为未来研究的重点。在此之前，专家小组认为，支持人类微生物群在癌症发病机制中发挥致病作用的案例尚未得到证实，但大多数人仍然同意这一假设。该小组认为微生物组是与表观遗传/遗传上敏感的宿主和环境相互作用的一个方面。但是，宿主基因型在很大程度上是固定的，有证据表明，微生物菌群可能是调节/调解宿主对环境压力做出反应的关键因素。在这种背景下，微生物组为如何更好地了解癌症以及如何预防癌症提供了一个令人非常兴奋的机会。
这些或许也适合你哦👇