宏基因组&代谢组学：两大组学共同揭示结肠直肠癌中肠道菌群的阶段特异性表型

 编者按： 全球范围内每年超过25万人患结肠直肠癌（CRC），绝大多数大肠癌呈散发性，散发性大肠癌主要通过腺瘤性息肉病恶化发展而成。肠道微生态系统的改变与人类健康密切相关，肠道微生态随 CRC 不同发展阶段而变化。粪便宏基因组是定量肠道菌群和诊断疾病强有力的工具，特别是具核梭杆菌（F. nucleatum）  与 CRC 的相关性机制已经阐明，肠道代谢物（氨基酸、胆汁酸、短链脂肪酸）与肠道癌变相关。因此，通过宏基因组和代谢组联合分析，试图找到一种通过肠道代谢物与菌群结构的变化规律，对 CRC 不同发展阶段进行诊断的方法。

近期，日本大阪大学 Shinichi Yachida 及其研究团队在医学著名期刊 Nature Medicine (IF=30.641)上发表题为“Metagenomic and metabolomic analyses reveal distinct stage-specific phenotypes of the gut microbiota in colorectal cancer ”的文章。采用宏基因组和代谢组联合分析，检测结肠直肠癌不同阶段的粪便样本，揭示结肠直肠癌中肠道菌群的阶段特异性表型，为 CRC 发展阶段的诊断提供方法。

方法流程

研究结果

1.粪便样本中宏基因组和代谢组学特征

为研究 CRC 中宏基因组和代谢组的特征，根据结肠镜和组织学检查结果分为9组，图1分别对616例宏基因组数据和406例代谢数据进行分析，结果发现富含芽孢杆菌属的受试者具有低丰度的普氏菌，与健康对照组相比 Megamonas 菌属（巨单胞菌属）在118例患者中为高丰度，在 CRC 发展的各个阶段显著升高。主成分分析（图 1 b）确定了拟杆菌属和普氏菌为人类肠道肠型的主要贡献者，在 PCA 中二氢尿嘧啶和尿素差异明显，但 PCA 分析未呈现出阶段的特异性。

图1 粪便样本中宏基因组和代谢组学特征

2.癌症不同阶段特异性分类和代谢组学特征

为研究癌症不同阶段特异性分类和代谢组学特征，通过 CRC 不同阶段与健康对照组相比，在 MP 和 S0组微生物转移差别较大，Fusobacteria（梭杆菌门）、Firmicutes（拟杆菌门）、Bacteroidetes（硬壁菌门）随着肿瘤恶性程度增加而增加，其中 Fusobacteria 在两个阶段均升高，Firmicutes 和 Bacteroidetes 具有阶段特异性（图 2a）。与健康对照组相比，共有65种代谢物在至少一个阶段为显著差异。胆汁酸，短链脂肪酸，氨基酸和中心碳代谢物质与肠道微生物群密切相关（图2c）。与健康对照组相比在 MP 中脱氧胆酸（DCA）浓度增加，在 S0中甘氨酸盐、牛磺酸盐和支链氨基酸（异亮氨酸、亮氨酸、缬氨酸等）浓度增加。B. wadsworthia是 MP 中唯一与 DCA 相关的物种（图 2d）。A. parvulum 在 MP 和 S0组中丰度显著增加，且与A. parvulum 相关的细菌显著增加（图 2e，f）。

图2 癌症不同阶段特异性分类和代谢组学特征

3.KEGG 和 GO 分析微生物基因与 CRC 相关的变化

为找到微生物基因与 CRC 的关系，通过对微生物基因组进行 KEGG 和 GO 分析，发现与健康对照组相比，1,243个 KEGG 和 KO 基因显著上调，96个下调（图 3a）。通过修改 KEGG 途径模块，限制细菌生成和降解的途径，重新呈现基因丰度（图 3b）。芳香族氨基酸代谢和硫化物生产途径与 CRCs 相关，参与苯丙氨酸和酪氨酸生物合成的基因显著升高，其中 PHC 为鉴别 S0患者与健康对照组的首选指标（图 3b）。参与苯丙氨酸降解的基因主要在 MP 中增加，参与产生遗传毒性硫化氢的 DSRA（异化硫酸盐还原酶亚基A）在 SIII/IV 中显著升高（图 3b）。

图3 KEGG 和 GO 分析微生物基因与 CRC 相关的变化

4.CRC 进展期的微生物动力学及其诊断

为研究肠道宏基因组和代谢组学数据可以作为诊断标志物，作者构建了随机森林和 LASSO 逻辑回归分类来区分健康对照与 S0、SIII / IV 病例。分别基于物种、 KO基因、代谢物或三者的组合构建了四种模型。在 S0、SIII / IV 分类中组合型模型的分类潜力优于单个模型（图4b，c），随机森林分类区别 CRC 患者 S0和 SIII / IV 期的 ROC 曲线下面积分别为0.78和0.85。

图4 CRC进展期的微生物动力学及其诊断

  总结： 本文对616名接受结肠镜检查的人进行了粪便宏基因组和代谢组学研究，发现除了晚期病变外，在 MP 和 S0病例中生微生物组和代谢组变化明显。核梭杆菌属相对丰度在 S0至 SIV 期持续升高，Atopobium parvulum 和 Actinomyces odontolyticus 在 MP 和 S0中显著增加。代谢物分析表明 S0支链氨基酸和苯丙氨酸含量显著增加，胆汁酸(包括脱氧胆酸)在 MP 和 S0中显著增加。微生物群和代谢物的变化发生在结直肠癌发展的早期阶段，这具有重要的病因和诊断意义。

 参考文献：

Metagenomic and metabolomic analyses reveal distinct stage-specific phenotypes of the gut microbiota in colorectal cancer.Nature Medicine.2019