【背景】
50歲以前的早發性結直腸癌（EO-CRC）發病率在世界許多地方穩步上升。多種因素可能參與其中，包括遺傳和環境，但目前還不清楚是否有獨特的分子特征和多組學特征支撐。2023年6月發表在Gut上的題為“Integrated metagenomic and metabolomic analysis reveals distinct gut-microbiome-derived phenotypes in early-onset colorectal cancer”的論文，通過宏基因組和代謝組學，表明微生物組-代謝組相互作用有助于解釋EO-CRC和遲發性結直腸癌LO-CRC的發病機制，且微生物組衍生的生物標志物有希望成為區分EO-CRC的非侵入性工具。
【樣本類型】
糞便樣本，發現隊列441份（130例LO-CRC, 114例EO-CRC, 97例LO-Control和100例 EO-Control），驗證隊列108份（38例LO-CRC、22例LO-Control、24例EO-CRC和24例EO-Control）。【技術方法】
【實驗路線】
【研究結果】
根據實驗設計（圖1A），作者首先進行了發現隊列的微生物組分析，結果表明，與同年齡段的對照相比，CRC組的α多樣性顯著降低（圖1B），且細菌分布上有顯著差異（圖1C-D）。數據表明，與相應的對照組相比，LO-CRC和EO-CRC具有不同的多樣性和微生物距離指標，而LO-CRC和EO-CRC組的相似多樣性是由其獨特的微生物特征驅動的。
圖1 與LO-CRC和EO-CRC相關的糞便微生物多樣性
對所得到的微生物組結果進行LEfSe算法分析時發現，在CRC組種豐度下降的細菌包括產丁酸細菌Faecalibacterium prausnitzii、等，且在LO-CRC和EO-CRC組都觀察到了青少年雙歧桿菌和Anaerostipes hadrus，這與以前大型CRC隊列的研究結果一致（圖2A-B）。結果中值得注意的是，有可能誘發腸道炎癥和腫瘤發生的Bacteroides fragilis和Porphyromonas，是LO-CRC和EO-CRC組中常見的微生物特征，除此之外，兩個疾病組中仍存在獨特的微生物景觀（圖2C），作者還進一步確定了Lachnospiraceae細菌GAM79和Collinsella aerofaciens分別為LO-Control和EO-Control的關鍵分類群特征（圖2D）。這些發現表明，LO-CRC和EO-CRC組存在獨特的腸道微生物群特征，這可能與腫瘤臨床病理特征和診斷的差異有關。
圖2 LO-CRC和EO-CRC微生物群的分類特征
考慮到腸道微生物群與宿主微生物共同代謝之間的相互作用，作者對糞便樣本進行了非靶向代謝組學檢測，結果顯示LO-CRC和LO-Control組之間鑒定到了162種差異代謝物，EO-CRC和EO-Control組之間存在167種差異代謝物（圖3A-B）。潛在的生態毒性代謝物全氟辛烷磺酸在LO-CRC和EO-CRC樣品中積累，氨基酸代謝物，如l -苯丙氨酸和D-鳥氨酸在兩種CRC中都顯著增加，而一些特定的氨基酸，如甘氨酸、l -天冬氨酸、色氨酸和色氨酸的微生物衍生物僅在EO-CRC樣本中富集（圖3C-D）。此外，與EO-Control相比，EO-CRC中膽汁酸和膽堿代謝物的含量顯著增加，這對磷脂酰膽堿、膽堿、亞油酸、脫氧膽酸和膽酸對膽汁酸的影響明顯增強（圖3D）。
圖3 LO-CRC和EO-CRC的糞便代謝組改變
進一步的KEGG和KO結果分析表明，LO-CRC和LO-Control之間以及EO-CRC和EO-Control之間觀察到KO基因的分布明顯不同，KEGG富集結果指示出了氨基酸代謝、不同環境下的微生物代謝和脂質代謝的差異。在氨基酸相關功能中，相比于對照組，尿素循環，亮氨酸/異亮氨酸生物合成，組氨酸生物合成和賴氨酸生物合成等在LO-CRC和EO-CRC組中明顯減少。組氨酸降解基因、亮氨酸降解基因和苯丙氨酸生物合成基因在所有CRC中都被上調。值得注意的是，色氨酸生物合成途徑（trpB）和精氨酸生物合成途徑（argE）在EO-CRC中明顯上調，但在LO-CRC中沒有，而參與GABA生物合成的基因在LO-CRC中明顯下降（圖4A）。在不同環境下微生物代謝中，與EO-CRC相比，LO-CRC的磷酸戊糖途徑升高，與各自對照組相比，EO-CRC中與辛酸降解有關的基因明顯增加，但在LO-CRC中減少。此外，有潛在抗腫瘤作用的L-天門冬氨酸在EO-CRC中積累，這可能是EO-CRC的一個獨特的代謝特征（圖4B）。在脂質途徑中，參與磷脂酰膽堿生物合成的基因主要在EO-CRC中升高（圖4C）。在涉及的代謝物和酶基因相關的化學反應中，乙酸和乙醛作為底物明顯減少，而代謝它們的酶，即atoD、atoA和E1.2.1.10，在LO-CRC患者中富集（圖5A），負責生產醋酸和乙醛的基因（argE和cbiGH-cobJ）在LO-CRC組中也明顯升高，這表明LO-CRC患者可能消耗和代謝乙酸和乙醛，得到大量的中間產物乙酰CoA，隨后可能參與腫瘤的代謝。此外，與對照組相比，EO-CRC患者的膽汁酸、脫氧膽汁酸及其合成酶基因都明顯上調，而膽堿、磷脂酰膽堿等在EO-CRC患者中明顯下調（圖5B）。這些數據表明，LO-CRC和EO-CRC患者有獨特的微生物酶反應和代謝過程。
圖4 差異基因的功能富集分析
圖5 具有代表性的KO基因和代謝標記物的代謝酶反應
為了剖析可能成為LO-CRC和EO-CRC特征基礎的宿主和微生物群之間的相互作用，作者評估了所有不同豐度的分類群和代謝物之間的相關性，繪制了分別代表LO-CRC和EO-CRC多組學特征的網絡圖（圖6A-B）。結果表明，乙酸鹽水平的降低與LO-CRC中產生丁酸鹽的Roseburia intestinalis、Eubacterium eligens等的減少密切相關、 并與LO-CRC中潛在的致癌細菌Bacteroides fragilis、Porphyromonas asaccharolytica和醋酸代謝相關的KO基因atoA和atoD的豐度增加呈負相關。EO-CRC富集的色氨酸及其微生物衍生的代謝物吲哚-3-乙醛與對照組富集的物種，如Faecalibacterium prausnitzii、Roseburia hominis等，呈負相關。膽汁酸代謝產物脫氧膽酸和膽汁酸與Anaerostipes hadrus、Faecalibacterium prausnitzii和EO-Control特異性類群Mycoplasma gallinaceum以及膽汁酸合成相關KO基因cbh、NTE和pldB呈負相關。而在EO-CRC中富集的Flavonifractor plautii與癌癥相關的代謝物、全氟辛烷磺酸、亞油酸、L-苯丙氨酸和KO基因pldA正相關。綜上所述，微生物KO基因和代謝物的改變與CRC糞便中微生物群的變化有關，數據綜合分析可能部分解釋LO-CRC和EO-CRC的不同發病機制。
圖6 LO-CRC-和EO-CRC多組學的綜合分析
作者隨后募集了驗證隊列來檢測發現集的結果（圖7A），在測試階段，單獨使用細菌分類群、代謝物或KO基因標記物作為LO-CRC和LO-Control之間的預測因子，產生的AUC分別為84.53%、83.3%和84.97%，然而，三者結合后，AUC達到92.34%（圖7B），該結果在驗證集中得到了確認（圖7C）。而在EO-CRC中，49個豐度不同的物種、36個代謝物、59個KO基因和27個綜合標志物被選為最佳標志物集，且三特征綜合模型比單獨分析有更準確的區分效果，外部驗證隊列中也顯示出類似的結果（圖7D-E）。綜上所述， LO-CRC和EO-CRC患者有其獨特的糞便微生物、代謝和KO基因標志物，該特征集的綜合標志物作為檢測和區分LO-CRC和EO-CRC的非侵入性工具有著很大的潛力。
圖7 LO-CRC和EO-CRC的隨機森林模型整合多組學標記
【小結】
在這項研究中，作者通過利用多組學數據，首次揭示了LO-CRC和EO-CRC患者糞便微生物組失調和代謝組失調的共同狀態，確定了獨特的微生物代謝物相互作用，并建立了基于多組學結果的生物標志物集，在區分EO-CRC患者和年齡匹配的對照組方面具有強大的優勢，這可能會推動微生物組學衍生策略向精確篩查和診斷的臨床轉變。... ...
