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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

来源:诺禾质谱 2019-07-19 11:08

 

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。

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 发展的各个阶段显着升高。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。

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着差异。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组中丰度显着增加,且与A. parvulum 相关的细菌显着增加(图 2e,f)。

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 基因显着上调,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着升高,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 中显着升高(图 3b)。

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。

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中显着增加。代谢物分析表明 S0支链氨基酸和苯丙氨酸含量显着增加,胆汁酸(包括脱氧胆酸)在 MP 和 S0中显着增加。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。(生物谷Bioon.com)

 

 

 

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