Cell子刊揭秘腸癌幫兇：共生梭菌如何在人體內(nèi)發(fā)揮促癌作用？

結(jié)直腸癌（CRC）是全球最常見(jiàn)的惡性腫瘤之一，也是導(dǎo)致癌癥相關(guān)死亡的主要原因之一。CRC的發(fā)生和發(fā)展是一個(gè)多步驟過(guò)程，受到包括遺傳因素和環(huán)境因素在內(nèi)的多種因素的復(fù)雜影響。近年來(lái)，腸道菌群失調(diào)，特別是某些特定細(xì)菌，如具核梭桿菌（Fusobacterium nucleatum）、腸毒性脆弱擬桿菌（ETBF）和某些類型的大腸桿菌（E.coli）等，在CRC發(fā)生中的作用越來(lái)越受到關(guān)注。

2024年8月5日，上海仁濟(jì)醫(yī)院房靜遠(yuǎn)教授團(tuán)隊(duì)在著名學(xué)術(shù)期刊Cell Host & Microbe（IF 20.6）在線發(fā)表了題為“BCAA-producing Clostridium symbiosum Promotes Colorectal Tumorigenesis Through the Modulation of Host Cholesterol Metabolism”的研究論文。通過(guò)隊(duì)列研究、多組學(xué)技術(shù)、動(dòng)物模型、功能驗(yàn)證等多種研究方法，揭示了共生梭菌C.symbiosum及其代謝產(chǎn)物與CRC患者臨床特征的關(guān)聯(lián)及其致癌機(jī)制。（麥特繪譜提供Q300全定量檢測(cè)服務(wù)）

此前，房靜遠(yuǎn)教授團(tuán)隊(duì)多次與麥特繪譜合作在腸菌研究方向發(fā)表了多篇研究文章，成果展示如下：

●Fusobacterium nucleatum-derived succinic acid induces tumor resistance to immunotherapy in colorectal cancer（Cell Host & Microbe，2023IF=30.3，麥特繪譜提供Q300全定量檢測(cè)服務(wù)）

●Disruption of CerS6-mediated sphingolipid metabolism by FTO deficiency aggravates ulcerative colitis（Gut，2023IF=24.5，麥特繪譜提供神經(jīng)酰胺定量檢測(cè)服務(wù)）

●Microbiome and metabolome features in inflammatory bowel disease via multi-omics integration analyses across cohorts（Nature Communications，2023IF=16.6，麥特繪譜提供Q300全定量檢測(cè)服務(wù)）

 

研究思路

圖1. 技術(shù)路線

 

研究結(jié)果

1. C.symbiosum在CRC患者中的臨床特征

建立臨床隊(duì)列，在隊(duì)列1中納入130名CRC患者，發(fā)現(xiàn)腫瘤組織中的C. symbiosum豐度顯著高于正常組織且C. symbiosum在腫瘤組織中的水平與腫瘤大小呈正相關(guān)。根據(jù)從公共數(shù)據(jù)集檢索的宏基因組數(shù)據(jù)，在幾個(gè)西方隊(duì)列中進(jìn)一步驗(yàn)證了CRC患者糞便中C. symbiosum顯著富集。在隊(duì)列2中，對(duì)290名結(jié)直腸腺瘤（CRA）患者進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，結(jié)果顯示，高C. symbiosum豐度的患者，CRA復(fù)發(fā)的病例更多。綜合隊(duì)列1和隊(duì)列2的結(jié)果表明C. symbiosum水平不僅在CRC患者的糞便中升高，而且在腫瘤組織中也升高。

圖2. C. symbiosum在腺瘤復(fù)發(fā)患者中富集，與結(jié)直腸癌患者的臨床特征相關(guān)

 

2.C. symbiosum促進(jìn)結(jié)直腸癌的發(fā)生和生長(zhǎng)

根據(jù)前文提到的臨床表征，建立了3種細(xì)菌缺失小鼠模型，即結(jié)腸炎相關(guān)癌(CAC)模型、偶氮甲烷(AOM)為基礎(chǔ)的散發(fā)性腫瘤模型和ApcMin/+小鼠模型，進(jìn)一步探索C. symbiosum對(duì)結(jié)直腸腫瘤發(fā)生的影響。在CAC模型中，C. symbiosum灌胃組小鼠的結(jié)腸腫瘤數(shù)量和腫瘤負(fù)荷顯著增加，組織學(xué)和免疫組化檢查顯示，C. symbiosum小鼠出現(xiàn)了高級(jí)別異型增生，且腫瘤區(qū)域和正常上皮中的Ki67陽(yáng)性細(xì)胞（高Ki67表達(dá)通常與腫瘤細(xì)胞的高度增殖活性和更差的預(yù)后相關(guān)）比例較高，表明C. symbiosum促進(jìn)了上皮細(xì)胞的增殖。在ApcMin/+小鼠模型和AOM誘導(dǎo)的散發(fā)性腫瘤模型中，也得到了類似的結(jié)果，證實(shí)了C. symbiosum增加了結(jié)腸腫瘤數(shù)量和腫瘤負(fù)荷。

此外，為了排除SPF小鼠受到的常規(guī)微生物環(huán)境和結(jié)腸免疫微環(huán)境的影響，采用無(wú)菌小鼠模型進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果也證實(shí)了C. symbiosum促進(jìn)結(jié)腸腫瘤的發(fā)生和生長(zhǎng)及Ki67細(xì)胞的增殖。

結(jié)合體外細(xì)胞功能實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)C. symbiosum顯著促進(jìn)了正常上皮細(xì)胞系NCM460和結(jié)腸癌細(xì)胞系HT29、HCT116的增殖。

圖3. C. symbiosum在體內(nèi)和體外促進(jìn)結(jié)直腸腫瘤發(fā)生和腫瘤生長(zhǎng)

 

3.C. symbiosum增強(qiáng)小鼠結(jié)腸干細(xì)胞特性

進(jìn)一步剖析C. symbiosum對(duì)小鼠結(jié)腸組成和功能的影響，對(duì)無(wú)菌小鼠的結(jié)腸組織進(jìn)行單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)測(cè)序分析，捕獲到14067個(gè)細(xì)胞，包括多種上皮細(xì)胞、免疫細(xì)胞和間質(zhì)細(xì)胞。通過(guò)研究干細(xì)胞標(biāo)記基因表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)空白組、AOM/DSS處理組和C. symbiosum定殖AOM/DSS誘導(dǎo)組的干細(xì)胞比例逐步增加，表明C. symbiosum可能在結(jié)腸干細(xì)胞的增殖和更新中扮演重要角色，進(jìn)而促進(jìn)結(jié)腸腫瘤的發(fā)生�；�于此結(jié)果，從AOM/DSS誘導(dǎo)的小鼠模型中分離出結(jié)腸腫瘤干細(xì)胞，并進(jìn)行類器官形成實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)C. symbiosum顯著促進(jìn)了腫瘤器官樣體的形成和生長(zhǎng)。極限稀釋實(shí)驗(yàn)、腫瘤球體和菌落形成實(shí)驗(yàn)也表明了C. symbiosum顯著促進(jìn)了結(jié)腸腫瘤的生長(zhǎng)。

圖4. 在體內(nèi)和體外均可提高結(jié)腸干細(xì)胞的比例，促進(jìn)干細(xì)胞的形成

 

4. C.symbiosum通過(guò)產(chǎn)生BCAAs發(fā)揮致癌作用

使用微生物群耗竭的小鼠模型，通過(guò)口服給予磷酸鹽緩沖液（PBS）、活的C. symbiosum以及熱殺死的C. symbiosum，同時(shí)誘導(dǎo)小鼠發(fā)生CRC（使用AOM/DSS模型）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，活的C. symbiosum灌胃促進(jìn)了腫瘤生長(zhǎng)，而熱殺死的C. symbiosum則沒(méi)有這種效果，表明C. symbiosum可能通過(guò)產(chǎn)生生物活性因子來(lái)發(fā)揮其增殖作用。與此同時(shí)，來(lái)自C. symbiosum定殖小鼠的糞便代謝產(chǎn)物和CFS（C. symbiosum的無(wú)細(xì)胞上清液）均能促進(jìn)CRC細(xì)胞系的增殖，進(jìn)一步支持了C. symbiosum的相關(guān)代謝物是其致癌作用的基礎(chǔ)。對(duì)C. symbiosum定殖小鼠的糞便樣本進(jìn)行了全定量靶向代謝組學(xué)分析（麥特繪譜提供），發(fā)現(xiàn)78種代謝產(chǎn)物顯著改變，其中纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸途徑高度富集，即支鏈氨基酸（BCAAs）在C. symbiosum定殖小鼠的糞便中顯著升高。

使用BCAA缺乏的飲食模型結(jié)合C. symbiosum灌胃，發(fā)現(xiàn)低BCAA飲食在一定程度上抑制了ApcMin/+小鼠的腫瘤負(fù)荷。此外，通過(guò)CRISPR-Cas12a系統(tǒng)構(gòu)建了ilvE基因干擾的C. symbiosum（ilvEi），該菌株BCAA分泌能力顯著降低，其在微生物群耗竭的ApcMin/+小鼠模型中的致癌作用也明顯受到抑制。

圖5. C.symbiosum通過(guò)產(chǎn)生BCAAs發(fā)揮致癌作用

 

5. C. symbiosum通過(guò)mTORC1信號(hào)傳導(dǎo)促進(jìn)細(xì)胞膽固醇合成

通過(guò)IPA分析三種BCAAs和宿主中與細(xì)胞生長(zhǎng)和增殖相關(guān)的信號(hào)節(jié)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)BCAAs與mTORC1（哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白復(fù)合物1，細(xì)胞生長(zhǎng)和代謝的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子）信號(hào)通路之間存在高度連接的網(wǎng)絡(luò)。scRNA-seq的通路富集分析顯示，在C. symbiosum定植的小鼠中，mTORC1在干細(xì)胞群體中是最顯著的通路。

結(jié)合體內(nèi)實(shí)驗(yàn)、體外實(shí)驗(yàn)以及使用雷帕霉素抑制mTORC1進(jìn)一步證實(shí)了C. symbiosum能顯著刺激mTORC1信號(hào)，證明了mTORC1在C. symbiosum促瘤過(guò)程的關(guān)鍵作用。

此外，通過(guò)RNA-seq和scRNA-seq的通路富集分析，膽固醇穩(wěn)態(tài)通路均被富集，表明C. symbiosum可能影響膽固醇代謝。在細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中，與C. symbiosum共培養(yǎng)的NCM460、HT29和HCT116細(xì)胞的游離和總膽固醇水平顯著增加，使用雷帕霉素處理顯著降低HCT116細(xì)胞中的膽固醇含量，表明mTORC1信號(hào)對(duì)膽固醇合成有重要影響。

圖6. C. symbiosum通過(guò)mTOR信號(hào)傳導(dǎo)促進(jìn)細(xì)胞膽固醇合成

 

6. C. symbiosum通過(guò)調(diào)控膽固醇合成來(lái)促進(jìn)細(xì)胞增殖和干細(xì)胞特性的機(jī)制

qPCR和Western Blot結(jié)果顯示NCM460、HT29和HCT116細(xì)胞與C. symbiosum共培養(yǎng)時(shí)，參與膽固醇合成的基因（HMGCR、LSS、SC5D和DHCR7）mRNA水平在多重感染（MOI）依賴的方式下普遍上調(diào)。TCGA-COAD和GETEx數(shù)據(jù)庫(kù)分析顯示了HMGCR在CRC腫瘤樣本中的表達(dá)顯著上調(diào)，siRNA敲低實(shí)驗(yàn)及患者隊(duì)列數(shù)據(jù)分析也論證了C. symbiosum通過(guò)調(diào)控HMGCR促進(jìn)膽固醇合成。

進(jìn)一步研究C. symbiosum促進(jìn)細(xì)胞增殖和干細(xì)胞特性是否依賴于膽固醇合成，使用HMGCR抑制劑辛伐他�。╯imvastatin）來(lái)阻斷細(xì)胞內(nèi)的膽固醇合成，體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)證明了C. symbiosum確實(shí)通過(guò)調(diào)控膽固醇合成來(lái)促進(jìn)細(xì)胞增殖。

圖7. 抑制膽固醇合成一定程度消除了C. symbiosum促進(jìn)的細(xì)胞增殖

 

7. C. symbiosum通過(guò)誘導(dǎo)膽固醇合成激活Hedgehog信號(hào)通路

大量研究表明膽固醇主要是通過(guò)觸發(fā)Sonic Hedgehog（SHH）信號(hào)通路的激活來(lái)維持癌細(xì)胞干細(xì)胞特性，基于此觀點(diǎn)，使用qPCR和免疫印跡技術(shù)檢測(cè)了SHH信號(hào)通路的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)基因GLI1和SHH的表達(dá)，結(jié)果顯示C. symbiosum處理以MOI依賴的方式誘導(dǎo)了SHH信號(hào)通路的激活，體內(nèi)實(shí)驗(yàn)和患者的腫瘤活檢樣本中也發(fā)現(xiàn)了SHH信號(hào)通路的激活。此外，特異性驗(yàn)證也表明了C. symbiosum對(duì)SHH信號(hào)通路的特異性影響，WNT和NOTCH信號(hào)通路的相關(guān)基因mRNA水平并未發(fā)生變化。在HT29和HCT116細(xì)胞中敲低HMGCR后，C. symbiosum誘導(dǎo)的GLI1和SHH上調(diào)被顯著廢除，進(jìn)一步證明了膽固醇合成在SHH信號(hào)通路激活中的關(guān)鍵作用。

圖8. C. symbiosum上調(diào)細(xì)胞膽固醇合成激活hedgehog信號(hào)傳導(dǎo)

 

總結(jié)

共生梭菌在結(jié)直腸癌患者的腫瘤組織中選擇性富集，并與結(jié)直腸腺瘤復(fù)發(fā)率相關(guān)，在多種小鼠模型中印證了共生菌的致瘤作用。單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析和功能分析表明，C. symbiosum促進(jìn)結(jié)腸癌干細(xì)胞的增殖并增強(qiáng)癌癥的干性。通過(guò)靶向代謝組學(xué)分析，C. symbiosum通過(guò)產(chǎn)生支鏈氨基酸來(lái)增強(qiáng)細(xì)胞膽固醇合成，激活Sonic hedgehog信號(hào)傳導(dǎo)。低BCAA攝入或他汀類藥物阻斷膽固醇合成可在體內(nèi)和體外部分阻斷共生菌誘導(dǎo)的細(xì)胞增殖。

 

參考文獻(xiàn)

BCAA-producing Clostridium symbiosum Promotes Colorectal Tumorigenesis Through the Modulation of Host Cholesterol Metabolism. Cell Host & Microbe. 2024

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繪譜幫你測(cè)

本研究中使用Q300全定量靶向代謝組學(xué)技術(shù)對(duì)C. symbiosum定殖小鼠的糞便樣本進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸顯著升高，成為本文科研思路的重要線索，為之后發(fā)現(xiàn)膽固醇調(diào)控機(jī)制奠定基礎(chǔ)。麥特繪譜開(kāi)創(chuàng)性地搭建了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域高端代謝組學(xué)技術(shù)平臺(tái)，覆蓋了非靶向-全定量-代謝流等全方位的高端醫(yī)學(xué)代謝組解決方案，同時(shí)全面布局微生物組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)等多組學(xué)技術(shù)服務(wù)，已成為全球多組學(xué)研究者的優(yōu)選合作伙伴。麥特繪譜擁有Q1000，Q500、Q300、Q200和膽汁酸、短鏈脂肪酸、色氨酸及咧咪衍生物、多胺和TMAO類等各類小分子代謝物、非靶向代謝組學(xué)和同位素示蹤代謝流技術(shù)等共40+系列檢測(cè)方法；已為數(shù)百家三甲醫(yī)院、科研院所和企業(yè)提供多組學(xué)解決方案，協(xié)助客戶與合作伙伴發(fā)表SCI文章400+篇，累計(jì)影響因子4000+，平均IF>10，包括Cell, Nature, Science, Cell Metabolism, Immunity, Gut, Hepatology, Microbiome等權(quán)威期刊。