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Narure Medicine 深度解读 | 宏基因组和代谢组分析揭示不同阶段结直肠癌中肠道微微生物特征
发布时间:2020-10-19 浏览次数:422
肠道生态环境的改变与人类健康与疾病显著相关。肠道代谢物,包括氨基酸和细菌代谢物(eg. 胆汁酸和短链脂肪酸)与肠癌状态有关。因此,通过宏基因组和代谢组分析可以为了解肠道环境的变化与CRC的发展提供方法。

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IF = 36.13(Nat Med)

样本类型:粪便

检测平台:宏基因组测序、非靶向代谢组


背景知识

肠道生态环境的改变与人类健康与疾病显著相关。肠道代谢物,包括氨基酸和细菌代谢物(eg.  胆汁酸和短链脂肪酸)与肠癌状态有关。因此,通过宏基因组和代谢组分析可以为了解肠道环境的变化与 CRC 的发展提供方法。

结直肠癌根据结肠镜和组织学检测可以分为以下 9 个阶段:

健康对照:

① Nomal(结肠镜检查无明显发现)

②  少于 2 个  < 5 mm 的息肉

疾病:

③ MP:息肉状腺瘤(超过 3 个或 5 个 low-grade 发育不良的腺瘤)

④ stage 0 CRC:粘膜内癌(high-grade 发育不良的息肉状腺瘤)

⑤ stage I CRC

⑥ stage II CRC

⑦ stage III CRC

⑧ stage IV CRC

术后:

⑨ HS:normal with a history of colorectal surgery


研究内容

1.  宏基因组热图:拟杆菌 Bacteroides 明显富集,普氏菌属 Prevotella 含量低。Megamonas 巨单胞菌属在欧美人群的肠道微生物不常见,但能在中国人群中被发现,因此预测可能是亚洲人群的特征菌属。宏基因组数据中,人基因组占比在 CRC 的不同阶段都明显增加(P <0.005; 单侧 Mann-Whitney U test)。

宏基因组 PCA 图:人类肠道菌群的主要成分——拟杆菌与普氏菌是 PCA 分析中的两个主要的异变聚类。

代谢热图:丙酸盐和丁酸盐是大肠中的主要能源物质,含量最丰富。

代谢 PCA 图:propionate 二氢尿嘧啶和 butyrate 尿素也存在较大差异。

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2.  宏基因组:不同 CRC 阶段 / 健康,变形菌门、拟杆菌门、梭杆菌门、厚壁菌门和放线菌门的变化趋势。作者发现两种物种高度显著的模式,一种是从早期到晚期都有所增加,一种是只在早期阶段增加,并鉴定到与 CRC 相关的新物种。根据已有报道发现,两个丁酸盐生产者 Lachnospira multipara 和 Eubacterium eligens 在 CRC 中含量降低,生成硫化物的细菌 Desulfovibrio vietnamensis、D.longreachensis 和 Bilophila wadsworthia 增加。

代谢组:不同 CRC 阶段 / 健康,取并集得到 65 个差异代谢物(P <0.005)。胆汁酸、短链脂肪酸、氨基酸和中心碳代谢物等与肠道菌群关系密切,是目前关注的焦点,关注这几类物质在不同阶段的含量变化。

相关性分析:DCA 在 MP 中显著升高,寻找 DCA 显著相关的菌属 -B. wadsworthia(Spearman 相关性分析)。由于 a  . parvulum 在 MP 和 S0 中显著升高,并有报道称在炎症性肠病患者中与链球菌高共现关系,构成产生 H2S 细菌的网络中心,因此,作者展现了 A  . parvulum 丰度与其他物种的相关性。构建 A. parvulum 属相关性网络(属丰度  > 10-4,相关性系数  > 0.4),热图(属丰度  > 10-5,相关性系数  > 0.5)。

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3. KO gene(P<0.005)在氨基酸代谢通路中的作用,构建 KEGG 富集热图。

芳香族氨基酸代谢途径与硫化物生产途径与 CRC 的发生有关,因此作者主要关注这两类化合物,并绘制 Pathway 展示。

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4.  寻找标志物:分别利用菌属、KO 基因、代谢数据、三组联合的数据建立随机森林模型和 LASSO 逻辑回归模型,比较发现联合数据分组效果最好,建立 ROC 曲线评估模型质量。

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比较治疗前后,菌种的差异。

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