肠道菌群失调与结直肠癌肿瘤发生通路关联的微生物组学分析

《Gut Pathogens》：Gut microbiota alterations and their association with tumorigenic pathways in colorectal cancer: insights from a pooled analysis of 109 microbiome datasets

本研究针对结直肠癌(CRC)发病机制中肠道菌群的作用展开深入探索，通过整合分析109个微生物组数据集，揭示了CRC患者肠道菌群的显著改变及其与肿瘤发生通路的关键联系。研究人员采用16S rRNA扩增子测序技术，结合LEfSe和随机森林模型，鉴定出Prevotella copri、Methanobrevibacter smithii等致病菌的富集以及Bifidobacterium animalis等有益菌的耗竭。通过MIAOME和GIMICA数据库预测宿主-微生物相互作用，发现关键炎症基因(CD44、CXCL8、IL18等)在CRC样本中显著过表达，功能富集分析显示这些基因与NF-κB、TLR等免疫通路密切相关。该研究为基于微生物组的CRC诊断和治疗策略提供了新的理论依据。

　　

在当今全球癌症负担日益加重的背景下，结直肠癌(CRC)作为第三大常见癌症类型，每年导致约93万人死亡，预计到2040年新发病例将达到320万，已成为不容忽视的全球健康问题。尽管结肠镜检查等筛查手段不断进步，CRC仍然是最常被诊断且致死率较高的癌症之一。除了家族史、吸烟、饮酒等传统危险因素外，近年来"西方生活方式"——高红肉和加工肉类摄入、低纤维饮食、缺乏运动等——与CRC发病率的上升密切相关，特别是在发展中国家这一趋势尤为明显。

人类胃肠道微生物组作为肠道内的复杂生态系统，近年来被证实与多种人类疾病的发生发展密切相关。肠道微生物通过维持肠道稳态、调节上皮屏障完整性以及参与免疫调节，与宿主建立互利共生关系。微生物代谢产生的短链脂肪酸、细菌素等活性物质能够直接或间接调控肿瘤发生和转移通路。尤其值得注意的是，诸如具核梭杆菌(Fusobacterium nucleatum)和脆弱拟杆菌(Bacteroides fragilis)等致病菌在CRC患者中显著富集，而非致病性的厚壁菌门(Firmicutes)和拟杆菌门(Bacteroidetes)则在健康个体中占主导地位。

然而，关于肠道菌群组成变化如何具体影响CRC发生发展的机制仍不明确。为此，Haque等人开展了这项深入研究，旨在通过大规模微生物组数据分析，揭示CRC相关的菌群特征，并探索其与宿主基因表达的潜在联系。该研究成果近期发表于《Gut Pathogens》杂志。

研究人员主要采用了以下几项关键技术方法：从SRA数据库获取109个16S rRNA扩增子测序数据集(PRJEB7774)，包括46例CRC患者和63例健康对照的粪便样本；使用QIIME 2和DADA2算法进行序列处理和ASV鉴定；通过LEfSe和随机森林模型识别差异微生物标志物；利用MIAOME和GIMICA数据库预测宿主-微生物相互作用；结合GEPIA2和TCGA数据库验证关键基因表达。

CRC样本中细菌多样性降低

通过16S rRNA扩增子测序数据分析，研究发现CRC样本与健康对照相比表现出显著的微生物多样性差异。β多样性分析显示，基于Bray-Curtis距离(R²=0.02, p=0.002)、Jensen-Shannon散度(R²=0.03, p=0.002)和Jaccard距离(R²=0.02, p=0.003)的PCoA图均表明CRC粪便微生物群与对照组存在明显分离。

α多样性分析进一步证实，CRC粪便微生物群的Observed丰富度(p=0.0002)、Chao1指数(p=0.0001)、Fisher指数(p=0.0002)和Shannon指数(p=0.025)均显著降低，表明疾病进展过程中肠道菌群种类减少，这可能与菌群失调环境对健康细菌的不利影响有关。

CRC病理与特定肠道菌群物种改变相关

微生物群整体组成分析显示，CRC患者与对照组相比存在显著差异。在门水平，厚壁菌门(Firmicutes)、放线菌门(Actinobacteria)和变形菌门(Proteobacteria)在CRC病例中显著富集。在纲水平，异常球菌纲(Deinococci)、候选糖菌纲(Candidatus Saccharibacteria)、β-变形菌纲(Betaproteobacteria)等类别在CRC患者中最为富集。

在物种水平，多种细菌在CRC患者中富集，包括普雷沃氏菌(Prevotella copri)、史氏甲烷短杆菌(Methanobrevibacter smithii)、狄氏副拟杆菌(Dialister invisus)、腐败藻菌(Alistipes putredinis)和统一拟杆菌(Bacteroides uniformis)等。

CRC受试者中差异丰富类群的鉴定

LEfSe分析验证了正常对照组与CRC病例之间微生物组特征的明显分离，使用FDR调整后p值<0.05和LDA得分>2的标准确定显著性。随机森林分类模型能有效区分CRC和对照样本，控制组(绿线)和CRC组(蓝线)的错误率均低于总体分类错误率(红线)。

与对照组相比，CRC病例中共有35个微生物类群发生显著改变，其中28个下调，7个上调。普雷沃氏菌(Prevotella copri)、史氏甲烷短杆菌(Methanobrevibacter smithii)、埃格特氏拟杆菌(Bacteroides eggerthii)等物种在CRC病例中富集，而假单胞菌(Pseudomonas unclassified)、哈氏梭菌(Clostridium hathewayi)、动物双歧杆菌(Bifidobacterium animalis)等物种则受到抑制。

微生物组变化与CRC病例功能注释的关联

通过MIAOME和GIMICA数据库预测关键微生物变化与宿主基因的相互作用，发现微生物标志物与肝硬化、炎症性肠病、2型糖尿病、脂肪肝、肥胖、非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)、结直肠肿瘤和CRC等临床表型相关。

研究人员验证了六个炎症相关基因(CD44、CXCL8、DUSP16、FOXP3、IFNGR2和IL18)的表达，这些基因通过MIAOME和GIMICA相互作用预测得出。TCGA的基因表达数据显示，所有六个基因在CRC病例(n=275)与未患病对照组(n=349)中均表现出显著更高的表达(p<0.01)，其中CXCL8和IL18这两个炎症级联关键细胞因子上调最为明显。

GO功能富集分析显示，预测的宿主基因与炎症、NF-κB信号传导、细胞对脂多糖的反应、Toll样受体信号传导、JNK级联的正向调控、炎症性肠病信号传导、酒精性肝病、脂质和动脉粥样硬化以及凋亡等显著通路相关。这些宿主基因还参与与肿瘤发生和代谢功能障碍相关的重要生物过程，包括炎症、免疫反应、细胞增殖、细胞因子产生、凋亡和细胞分化等。

研究结论与讨论

本研究通过综合分析109个微生物组数据集，揭示了CRC患者肠道菌群的显著特征及其与肿瘤发生通路的关联。研究发现CRC样本中α多样性显著降低，β多样性谱与对照组明显不同，表明微生物多样性在癌症相关菌群失调中丧失。分类学分析显示潜在致病菌如普雷沃氏菌(Prevotella copri)、史氏甲烷短杆菌(Methanobrevibacter smithii)等富集，而有益微生物如动物双歧杆菌(Bifidobacterium animalis)等耗竭。

预测的宿主-微生物相互作用强调了关键微生物生物标志物与炎症相关基因(CD44、CXCL8、DUSP16、FOXP3、IFNGR2、IL18)之间的关联，这些基因在CRC样本中均显著过表达。富集分析将这些基因与NF-κB、TLR和细胞因子信号传导等免疫通路联系起来。

这些发现支持了肠道微生物与宿主之间通过免疫相关途径影响CRC发展的观点。预测的相互作用表明，某些肠道细菌可能与宿主免疫信号相关，包括IL-1、6、8、10和18等细胞因子，以及脂多糖(LPS)反应、Toll样受体(TLRs)、MyD88、NF-κB、NLRP2、JNK和MAPK等通路。这些基因和通路在炎症和代谢紊乱中广泛已知作用，表明免疫系统激活和炎症可能是连接肠道菌群变化与CRC的关键机制。

该研究强调了基于微生物组的诊断工具的潜在实用性，并突出了用于治疗调节的候选微生物。此外，本研究确定的与CRC相关的肠道菌群生物标志物的病理生理学意义已被预测与脂质代谢紊乱、糖尿病、脂肪肝、非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)、肝硬化、肥胖和炎症性肠病等代谢功能障碍相关。

总之，本研究提供的证据表明，肠道微生物群在介导CRC发病机制中的免疫和代谢功能障碍方面发挥重要作用，因此可能被视为有效的治疗靶点。未来的研究工作需要辨别具体的微生物衍生生物活性物质、代谢物和信号分子参与影响CRC病例中肿瘤发生、炎症和代谢途径的机制细节。微生物代谢物已显示出通过诱导抗增殖和免疫调节活性等保护机制，在体外治疗恶性组织细胞方面具有强大、有效的直接或辅助治疗潜力。