Microbiome：結(jié)直腸癌宏基因組多隊列分析鑒定到人群間的細菌改變和通用細菌標記

發(fā)稿時間：2018-04-26來源：天昊生物

英文題目： Multi-cohort analysis of colorectal cancer metagenome identified altered bacteria across populations and universal bacterial markers

期刊名：Microbiome            發(fā)表時間： 2018.4          影響因子：  8.496

背景：不同人群中腸道菌群的改變與結(jié)直腸癌（CRC）相關(guān),目前發(fā)現(xiàn)幾種細菌有助于腫瘤的發(fā)生，對于腸道微生物作為早期診斷標志物的潛在應(yīng)用也有報道。然而，隊列特異性噪聲可能會扭曲CRC中微生物失調(diào)的結(jié)構(gòu)，并導(dǎo)致研究結(jié)果不一致。本研究旨在探索不同人群間種水平上普遍改變的腸道微生物群落。

研究結(jié)果：

隊列間微生物群落組成

我們積累了來自四個隊列，美國（USA）、奧地利(AT)、中國（HK）、德國和法國（FD），包括271個對照組和255例CRC（人口統(tǒng)計學(xué)、臨床和技術(shù)細節(jié)，如表1所示）的宏基因組測序序列。

表1 糞便樣品的人口學(xué)、臨床和技術(shù)細節(jié)

USA、AT和FD隊列中CRC病例和對照組間香農(nóng)多樣性指數(shù)差異不顯著，然而，與HK隊列對照組相比，病例組多樣性指數(shù)顯著降低。主坐標分析確定了不同群體間細菌組成存在顯著差異（圖1a: control; 圖1b: CRC），還發(fā)現(xiàn)CRC病例和對照組間細菌總體組成有顯著差異（圖1c）。

圖1. 不同人群間微生物組成和統(tǒng)計差異。a-c:對照樣本、CRC樣本和所有樣本各自的主坐標分析。d: 檢測不同豐度細菌（不同細菌豐度變化程度(fold change=10, 20, 40%)vs隊列樣本大?。▽φ諛颖緮?shù)×病例樣本數(shù)））的統(tǒng)計功效。

隊列間CRC和對照組豐度差異細菌

進行了模擬分析，比較了meta分析和單隊列研究之間的統(tǒng)計功效。模擬分析表明，細菌豐度變化20%時估計功效為0.88；單一隊列研究細菌豐度變化倍數(shù)為20%時估計功效則為0.5，這顯示隊列間優(yōu)于單一隊列研究（圖1d）。利用meta分析來鑒定4個隊列間CRC和對照組豐度差異細菌。使用秩和法，確定了7個CRC富集菌種和62個CRC減少菌種（圖2a）。在這七個CRC富集菌種中， Bacteroides fragilis在所有四個人群中始終富集，而五個細菌(P. asaccharolytica, P. micra, P. intermedia, A. finegoldii, and T. acidaminovorans)在四個隊列中的兩個其豐富度表現(xiàn)出明顯的變化（圖2b）。在62個CRC減少細菌中有五種細菌被報道對健康有益，包括Clostridium butyricum, Streptococcus salivarius, Streptococcus thermophilus, Carnobacterium maltaromaticum, Lactobacillus gallinarum。為了確定這69個CRC相關(guān)細菌是否與CRC進程相關(guān)，我們研究了它們在CRC早期和晚期階段中的豐度差異，3種細菌（Streptococcus sp. I-G2, Shewanella woodyi, Mycoplasma penetrans）對照組、早期CRC和晚期CRC呈下降趨勢。

圖2. 不同群體中CRC豐度差異的細菌。a 最大變化程度的7個CRC富集菌種和20個CRC減少菌種（左圖）, 個體配對變化程度的置信區(qū)間（右圖）。b 7個CRC富集細菌在不同群體中的豐度。c 基于7個CRC富集菌種的SVM模型預(yù)測能力。

使用細菌標記物區(qū)分CRC和對照組

為了區(qū)分CRC患者和對照組，將七個CRC富含細菌物種裝配到（SVM）模型中。獲得的USA, AT, HK, FD 隊列AUC曲線面積分別為0.83, 0.87, 0.84, 0.82。所有人群樣本的AUC為0.80。當把臨床表型信息（年齡，性別和體重指數(shù)）納入以后，總的AUC增加到0.88（圖2c）。七個CRC富集菌種在AT，HK和FD隊列中區(qū)分早期CRC病例和對照的AUCs分別為0.84、0.82、0.84，提示其在早期CRC病例和對照之間的杰出分類性能。

CRC相關(guān)細菌之間的相關(guān)性

為了從生態(tài)學(xué)的角度深入了解細菌與細菌的相互作用，進一步研究?；?/span>SparCC算法調(diào)查了CRC富集菌與CRC減少細菌之間的相關(guān)性。觀察到CRC富集和減少的細菌分別形成了各自的共生網(wǎng)絡(luò)，彼此呈負相關(guān)。有趣的是：CRC減少細菌中顯著相關(guān)對的數(shù)量和相關(guān)強度在對照組高于CRC病例組（圖3b）。CRC富集細菌和CRC減少細菌之間大多數(shù)是負的。七個CRC富集菌在CRC早期比CRC晚期的相關(guān)性更為密切，它們之間相關(guān)網(wǎng)絡(luò)在CRC后期被破壞了。以加權(quán)程度為中心，發(fā)現(xiàn)梭狀芽孢桿菌（Clostridium）在網(wǎng)絡(luò)中中心性最高，這些中心物種可能在網(wǎng)絡(luò)中起關(guān)鍵作用，與去除隨機節(jié)點相比，當去除梭菌物種的節(jié)點時，網(wǎng)絡(luò)連通性急劇下降。

圖3 CRC相關(guān)細菌之間相關(guān)性的Meta分析。a  CRC樣品中69個CRC富集或減少細菌之間的相關(guān)性。圓之間的相關(guān)節(jié)點用深藍色標記。四個CRC富集的口腔菌種用暗紅色標記，五個共生細菌以三角形表示，節(jié)點的大小與它們對應(yīng)的中心性成正比。b CRC減少細菌的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)在對照組和CRC組之間的比較。

CRC富集和減少細菌相關(guān)的功能基因家族

將宏基因組序列映射到UniRef數(shù)據(jù)庫，使用HUMAnN2將其分為10675個GO和8695 個 KO。共有311個GO分類和217個KO發(fā)現(xiàn)在CRC中富集， 31個GO和74個KO在CRC中減少。使用Spearman調(diào)查了七個CRC富集物種和GO/KO之間的相關(guān)性，確定了167個GO和143個KO與CRC富集細菌有顯著的正相關(guān)（圖4），我們定義了這些GO/KO為CRC富集細菌相關(guān)的GO / KO類別。為了研究相關(guān)的功能途徑，我們將KO分類映射到KEGG通路，參與同一途徑的KO被視為相關(guān)KO類別。鑒別了與癌癥發(fā)展相關(guān)被多個KO共享的通路，發(fā)現(xiàn)了7個KEGG通路在CRC中富集（圖4）。一些共生細菌被發(fā)現(xiàn)與CRC減少的GO/KO類別相關(guān)：Clostridium butyricum，Carnobacterium maltaromaticum與GO051606（刺激檢測）密切相關(guān)；Streptococcus salivarius， S.thermophiles分別與K07104（鄰苯二酚2,3-雙加氧酶）和K07570（一般應(yīng)激蛋白13）相關(guān)。

圖4  CRC富集細菌與KO之間的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)。相同顏色的節(jié)點共享相同的CRC富集路徑。

結(jié)果總結(jié)：

• 基于來自中國、奧地利、美國、德國和法國隊列的526個宏基因組樣本的組合分析，在不同人群間鑒定到七個CRC富集的細菌(Bacteroides fragilis, Fusobacterium nucleatum, Porphyromonas asaccharolytica, Parvimonas micra, Prevotella intermedia, Alistipes finegoldii, and Thermanaerovibrio acidaminovorans)。
• 七個富集的細菌標記使用AUC曲線可以將不同人群間的對照和病例區(qū)分開。
• 豐度相關(guān)分析表明，CRC富集和CRC減少的細菌分別形成了自己的共生網(wǎng)絡(luò)。
• 發(fā)現(xiàn)CRC富集的細菌與脂多糖和能量生物合成途徑相關(guān)。

結(jié)論：

•    本研究發(fā)現(xiàn)潛在的細菌診斷標志物在人群間是穩(wěn)健的，提示其在無創(chuàng)性CRC診斷中的潛在應(yīng)用價值，本研究還闡明了CRC相關(guān)微生物群的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)和功能容量。