2019-08-05浏览量:194

『锐帮读』宏基因组和代谢组分析揭示肠道菌群明显的结直肠癌阶段性特异表型

大多数散发性结直肠癌的发生是一个多步的过程,首先形成息肉样腺瘤,然后发展为粘膜内癌,进而发展为恶性肿瘤。由于恶性肿瘤的形成需要几十年的时间,早期癌症的发现和内镜切除是癌症控制有效手段。许多研究表明肠道菌群与结直肠癌的发生有密切关系,本研究采用宏基因组和代谢组联合的方法,对不同阶段结直肠肿瘤患者粪便样本进行研究,以探究粪便微生物和代谢产物在不同结直肠癌发展阶段性特异表型。

 

文献ID

题目:Metagenomic and metabolomic analyses reveal distinct stage-specific phenotypes of the gut microbiota in colorectal cancer

译文:宏基因组和代谢组分析揭示肠道菌群明显的结直肠癌阶段性特异表型

期刊名:Nature Medicine  IF:30.641

年份:2019

通讯作者:Shinichi Yachida,Takuji Yamada

单位:大阪大学

 

材料与方法

宏基因组:Illumina HiSeq2500 platform,150bp双端测序,n=616

代谢组:毛细管电泳飞行时间质谱(CE-TOFMS),n=406

样本分组:healthy control (normal and a few polyps, n=251),MP (multiple polypoid adenomas with low-grade dysplasia, n=67),S0 (intramucosal polypoid adenoma(s) with high-grade dysplasia, n=73),SI/II (stage I/II CRC, n=111),SIII/IV (stage III/IV CRC, n=74) 和HS (normal with a history of colorectal surgery, n = 40) 

 

研究成果

富集Bacteroides的个体具有低丰度的Prevotella(图1a)。Megamonas在616位个体中的118位检测出高丰度,而在其他个体中几乎检测不出来,表明了其分布的差异性,在之前的报道中,Megamonas不是欧洲人和美国人的肠道优势菌,但是在中国人中发现,表明它是亚洲人的特征菌。宏基因组测序检测到的人类基因组在各阶段的结直肠癌(CRC)个体中显著高于健康人。

 

BacteroidesPrevotella是影响肠型的关键因素,根据狄利克雷多项式混合模型,616位个体共分成四种肠型,其中一种受Prevotella支配,四种类型β多样性没有显著差异(图1b)。

 

丙酸盐和丁酸盐作为大肠中能量的主要来源,是丰度最高的两种代谢物。PCA分析,除了丙酸盐和丁酸盐,二氢尿嘧啶和尿酸的变化也很大。经过PCA分析,肿瘤阶段、肿瘤部位或性别与代谢物变化的相关性不大。

 

图1 粪便样本的宏基因组和代谢组特征。a. 菌属水平(上)和代谢物(下)组成;菌属水平(左)和代谢物(右)PCA分析

 

与健康相比,MP、S0阶段的菌群发生了改变,SI/II和SIII/IV阶段的菌群也展现出差异,表明不同阶段菌群的特异性。Fusobacteria和 Bacteroidetes门的一些菌种随着恶性程度的增加(从S0、SI/II 到SIII/IV),相对丰度明显升高(图2a)。Bifidobacterium主要在S0阶段降低。随着CRC的进展,主要有两种显著性增加的模式:从低程度到高程度都增加的,只在低程度增加的。第一种模式的菌比如F. nucleatum、Solobacterium moorei、Peptostreptococcus stomatis、Peptostreptococcus anaerobius、Lactobacillus、Sanfranciscensis、Parvimonas micraGemella morbillorum。第二种模式的菌比如Atopobium parvulum、Actinomyces odontolyticus、Desulfovibrio longreachensisPhascolarctobacterium succinatutens(图2b)。

 

鉴定了与CRC相关的菌,Colinsella aerofaciens、Dorea longicatena、Porphyromonas uenonis、Selenomonas sputigena和Streptococcus anginosus在SIII/IV显著增加。与之前的研究一致, 乳酸盐生产菌Lachnospira multipara Eubacterium eligens在CRC阶段显著性降低。硫化物生产菌Desulfovibrio vietnamensis、D. longreachensisBilophila wadsworthia显著升高。

 

一共65种代谢物在至少一个阶段与健康组比较有显著性差异。对胆汁酸、短链脂肪酸、氨基酸和中心碳代谢物质重点关注,因为它们与肠道微生物有密切关系。与健康组相比,发现在MP组中脱氧胆酸(DCA)显著增加,S0组甘胆酸和牛磺胆酸显著增加,此外支链氨基酸、亮氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、甘氨酸、丝氨酸有所增加。异戊酸,一种通过微生物亮氨酸发酵得到的支链脂肪酸,从S0 到 SIII/IV 逐步增加(图2c)。

 

DCA在MP组中增加,搜索与该代谢物相关的菌,B. wadsworthia是唯一与DCA显著相关的物种 (图2d),虽然在其它阶段,相关性系数是正的,但是不显著。B. wadsworthia已知需要在含有牛磺胆酸的培养基中生长,牛磺胆酸是DCA前体胆酸的共轭形式。

 

鉴于A. parvulum在 MP和S0组显著增加,并且据报道在炎症性肠病患者中通过与Streptococcus的高共现关系构成了一个产H2S细菌的网络中枢,因此研究了A. parvulum与其他菌的相关性。在S0组与Atopobium相关的菌,无论是属水平还是种水平的数量均显著增加 (图2e,f)。A. parvulumA. odontolyticus、S. anginosus、S. moorei、G. morbillorum有很强的相关性,A. odontolyticus、S. anginosus、S. moorei、G. morbillorum在S0或后面的阶段丰度显著增加。Atopobium在CRC早期的增加,表明它可能对产H2S细菌有很强的影响。

 

图2 随着癌症进展具有明显阶段性的物种分类单元和代谢物

 

与健康相比,在至少一个CRC阶段,共1243个KO发现显著增加,96个显著降低。由于粪便氨基酸的浓度在S0显著改变(图2c),研究微生物的基因丰度,探究微生物的氨基酸代谢(图3a)。基因丰度的变化采用通路表示(图3b)。在差异通路中,发现芳香氨基酸代谢和硫化物生成途径与CRC相关。苯丙氨酸和酪氨酸合成相关的基因显著性地增加,其中pheC鉴定为辨别S0和健康的高分标志物(图4b)。在分解代谢途径中,通过产生有毒苯乙酸而参与苯丙氨酸降解的基因主要在MP中升高,色氨酸合成基因在SIII/IV显著降低。

 

负责产生遗传毒性硫化氢的异化硫酸还原酶亚基A (dsrA)在SIII/IV显著增加(图3b)。dsrA在一些硫酸盐还原菌中活跃,比如Desulfovibrio spp.。

 

图3 微生物中与CRC相关的KO基因和KEGG通路模块

 

大多数S0阶段可以通过内窥镜方法治愈,是很好的发现和治疗机会。为了探讨肠道宏基因组和代谢组参数作为诊断标志物的潜力,通过随机森林和LASSO逻辑回归分类器来区分S0和SIII/IV病例与健康对照组,构建了四种模型:仅基于物种、KO基因、代谢物数据或三者结合。比较四种模型的分类潜力,发现组合模型在S0和SIII/IV的分类上都优于单个模型(图4b,c)。用于检测S0和SIII/IV CRC患者的随机森林分类器ROC曲线的AUC面积分别为0.78和0.85。

 

在S0 阶段,排在前面的marker主要是KO基因,包括pheC (编码环己二烯脱氢酶)。其他marker包括D. longreachensis、S. moorei、亮氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸和琥珀酸(图4b)。在SIII/IV阶段,排在前面的特征marker包括口腔厌氧菌,比如P. micra、P. stomatis、F. nucleatum  P. anaerobius

 

本研究收集了28例结直肠癌(SI/II和SIII/IV)患者手术治疗前和术后1年左右的宏基因组数据。切除肿瘤后,图2b中所示的22个物种中,P. stomatis、P. anaerobius、P. micra、P. uenonisD. longicatena的相对丰度降低(图4d,e)。将这5个物种与HS组的粪便样本进行比较,没有发现显著差异(图4f)。主要的研究结果总结在图4a中。

 

图4 多阶段CRC进展中微生物动力学及它们的诊断潜力

 

研究结论

观察到在CRC进展过程中,肠道微生物组成、肠道菌群基因丰度和代谢产物的动态变化,强调CRC的进展可能受到整个肠道菌的代谢输出以及癌症相关生物体的存在的影响。基于物种、KO基因、代谢物数据可以较好地对健康和CRC(S0、SIII/IV阶段)进行分类。


亮点

宏基因组和代谢组分析方法相结合,在物种、基因、代谢通路、代谢物水平分析结直肠癌不同阶段的肠道菌群特征。

 

锐翌基因科服产品

锐翌基因科服产品多元化,包括微生物组测序产品(16S/ITS扩增子、宏基因组、宏转录组和单菌基因组)、转录调控产品(原核转录组和真核转录组)和代谢组产品(非靶向代谢组和靶向代谢组),多组学结合分析,有助于高等院校、科研机构或医院的科研工作者多角度、全面的探究和解决科学问题,助力更多优质科研成果发表。

下一篇