【背景】
50歲以前的早發(fā)性結(jié)直腸癌（EO-CRC）發(fā)病率在世界許多地方穩(wěn)步上升。多種因素可能參與其中，包括遺傳和環(huán)境，但目前還不清楚是否有獨(dú)特的分子特征和多組學(xué)特征支撐。2023年6月發(fā)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(guò)宏基因組和代謝組學(xué)，表明微生物組-代謝組相互作用有助于解釋EO-CRC和遲發(fā)性結(jié)直腸癌LO-CRC的發(fā)病機(jī)制，且微生物組衍生的生物標(biāo)志物有希望成為區(qū)分EO-CRC的非侵入性工具。
【樣本類型】
糞便樣本，發(fā)現(xiàn)隊(duì)列441份（130例LO-CRC, 114例EO-CRC, 97例LO-Control和100例 EO-Control），驗(yàn)證隊(duì)列108份（38例LO-CRC、22例LO-Control、24例EO-CRC和24例EO-Control）。【技術(shù)方法】
【實(shí)驗(yàn)路線】
【研究結(jié)果】
根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（圖1A），作者首先進(jìn)行了發(fā)現(xiàn)隊(duì)列的微生物組分析，結(jié)果表明，與同年齡段的對(duì)照相比，CRC組的α多樣性顯著降低（圖1B），且細(xì)菌分布上有顯著差異（圖1C-D）。數(shù)據(jù)表明，與相應(yīng)的對(duì)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(biāo)，而LO-CRC和EO-CRC組的相似多樣性是由其獨(dú)特的微生物特征驅(qū)動(dòng)的。
圖1 與LO-CRC和EO-CRC相關(guān)的糞便微生物多樣性
對(duì)所得到的微生物組結(jié)果進(jìn)行LEfSe算法分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，在CRC組種豐度下降的細(xì)菌包括產(chǎn)丁酸細(xì)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(duì)列的研究結(jié)果一致（圖2A-B）。結(jié)果中值得注意的是，有可能誘發(fā)腸道炎癥和腫瘤發(fā)生的Bacteroides fragilis和Porphyromonas，是LO-CRC和EO-CRC組中常見(jiàn)的微生物特征，除此之外，兩個(gè)疾病組中仍存在獨(dú)特的微生物景觀（圖2C），作者還進(jìn)一步確定了Lachnospiraceae細(xì)菌GAM79和Collinsella aerofaciens分別為L(zhǎng)O-Control和EO-Control的關(guān)鍵分類群特征（圖2D）。這些發(fā)現(xiàn)表明，LO-CRC和EO-CRC組存在獨(dú)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(guān)。
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(duì)糞便樣本進(jìn)行了非靶向代謝組學(xué)檢測(cè)，結(jié)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(tài)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(niǎo)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(duì)磷脂酰膽堿、膽堿、亞油酸、脫氧膽酸和膽酸對(duì)膽汁酸的影響明顯增強(qiáng)（圖3D）。
圖3 LO-CRC和EO-CRC的糞便代謝組改變
進(jìn)一步的KEGG和KO結(jié)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(jié)果指示出了氨基酸代謝、不同環(huán)境下的微生物代謝和脂質(zhì)代謝的差異。在氨基酸相關(guān)功能中，相比于對(duì)照組，尿素循環(huán)，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(diào)。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(diào)，但在LO-CRC中沒(méi)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(huán)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(duì)照組相比，EO-CRC中與辛酸降解有關(guān)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(gè)獨(dú)特的代謝特征（圖4B）。在脂質(zhì)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(guān)的化學(xué)反應(yīng)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(fù)責(zé)生產(chǎn)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(chǎn)物乙酰CoA，隨后可能參與腫瘤的代謝。此外，與對(duì)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(diào)，而膽堿、磷脂酰膽堿等在EO-CRC患者中明顯下調(diào)（圖5B）。這些數(shù)據(jù)表明，LO-CRC和EO-CRC患者有獨(dú)特的微生物酶反應(yīng)和代謝過(guò)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(biāo)記物的代謝酶反應(yīng)
為了剖析可能成為L(zhǎng)O-CRC和EO-CRC特征基礎(chǔ)的宿主和微生物群之間的相互作用，作者評(píng)估了所有不同豐度的分類群和代謝物之間的相關(guān)性，繪制了分別代表LO-CRC和EO-CRC多組學(xué)特征的網(wǎng)絡(luò)圖（圖6A-B）。結(jié)果表明，乙酸鹽水平的降低與LO-CRC中產(chǎn)生丁酸鹽的Roseburia intestinalis、Eubacterium eligens等的減少密切相關(guān)、 并與LO-CRC中潛在的致癌細(xì)菌Bacteroides fragilis、Porphyromonas asaccharolytica和醋酸代謝相關(guān)的KO基因atoA和atoD的豐度增加呈負(fù)相關(guān)。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(duì)照組富集的物種，如Faecalibacterium prausnitzii、Roseburia hominis等，呈負(fù)相關(guān)。膽汁酸代謝產(chǎn)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(guān)KO基因cbh、NTE和pldB呈負(fù)相關(guān)。而在EO-CRC中富集的Flavonifractor plautii與癌癥相關(guān)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(guān)。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(guān)，數(shù)據(jù)綜合分析可能部分解釋LO-CRC和EO-CRC的不同發(fā)病機(jī)制。
圖6 LO-CRC-和EO-CRC多組學(xué)的綜合分析
作者隨后募集了驗(yàn)證隊(duì)列來(lái)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)集的結(jié)果（圖7A），在測(cè)試階段，單獨(dú)使用細(xì)菌分類群、代謝物或KO基因標(biāo)記物作為L(zhǎng)O-CRC和LO-Control之間的預(yù)測(cè)因子，產(chǎn)生的AUC分別為84.53%、83.3%和84.97%，然而，三者結(jié)合后，AUC達(dá)到92.34%（圖7B），該結(jié)果在驗(yàn)證集中得到了確認(rèn)（圖7C）。而在EO-CRC中，49個(gè)豐度不同的物種、36個(gè)代謝物、59個(gè)KO基因和27個(gè)綜合標(biāo)志物被選為最佳標(biāo)志物集，且三特征綜合模型比單獨(dú)分析有更準(zhǔn)確的區(qū)分效果，外部驗(yàn)證隊(duì)列中也顯示出類似的結(jié)果（圖7D-E）。綜上所述， LO-CRC和EO-CRC患者有其獨(dú)特的糞便微生物、代謝和KO基因標(biāo)志物，該特征集的綜合標(biāo)志物作為檢測(cè)和區(qū)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(jī)森林模型整合多組學(xué)標(biāo)記
【小結(jié)】
在這項(xiàng)研究中，作者通過(guò)利用多組學(xué)數(shù)據(jù)，首次揭示了LO-CRC和EO-CRC患者糞便微生物組失調(diào)和代謝組失調(diào)的共同狀態(tài)，確定了獨(dú)特的微生物代謝物相互作用，并建立了基于多組學(xué)結(jié)果的生物標(biāo)志物集，在區(qū)分EO-CRC患者和年齡匹配的對(duì)照組方面具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，這可能會(huì)推動(dòng)微生物組學(xué)衍生策略向精確篩查和診斷的臨床轉(zhuǎn)變。... ...
