【背景】
50岁以前的早发性结直肠癌（EO-CRC）发病率在世界许多地方稳步上升。多种因素可能参与其中，包括遗传和环境，但目前还不清楚是否有独特的分子特征和多组学特征支撑。2023年6月发表在Gut上的题为“Integrated metagenomic and metabolomic analysis reveals distinct gut-microbiome-derived phenotypes in early-onset colorectal cancer”的论文，通过宏基因组和代谢组学，表明微生物组-代谢组相互作用有助于解释EO-CRC和迟发性结直肠癌LO-CRC的发病机制，且微生物组衍生的生物标志物有希望成为区分EO-CRC的非侵入性工具。
【样本类型】
粪便样本，发现队列441份（130例LO-CRC, 114例EO-CRC, 97例LO-Control和100例 EO-Control），验证队列108份（38例LO-CRC、22例LO-Control、24例EO-CRC和24例EO-Control）。【技术方法】
【实验路线】
【研究结果】
根据实验设计（图1A），作者首先进行了发现队列的微生物组分析，结果表明，与同年龄段的对照相比，CRC组的α多样性显著降低（图1B），且细菌分布上有显著差异（图1C-D）。数据表明，与相应的对照组相比，LO-CRC和EO-CRC具有不同的多样性和微生物距离指标，而LO-CRC和EO-CRC组的相似多样性是由其独特的微生物特征驱动的。
图1 与LO-CRC和EO-CRC相关的粪便微生物多样性
对所得到的微生物组结果进行LEfSe算法分析时发现，在CRC组种丰度下降的细菌包括产丁酸细菌Faecalibacterium prausnitzii、等，且在LO-CRC和EO-CRC组都观察到了青少年双歧杆菌和Anaerostipes hadrus，这与以前大型CRC队列的研究结果一致（图2A-B）。结果中值得注意的是，有可能诱发肠道炎症和肿瘤发生的Bacteroides fragilis和Porphyromonas，是LO-CRC和EO-CRC组中常见的微生物特征，除此之外，两个疾病组中仍存在独特的微生物景观（图2C），作者还进一步确定了Lachnospiraceae细菌GAM79和Collinsella aerofaciens分别为LO-Control和EO-Control的关键分类群特征（图2D）。这些发现表明，LO-CRC和EO-CRC组存在独特的肠道微生物群特征，这可能与肿瘤临床病理特征和诊断的差异有关。
图2 LO-CRC和EO-CRC微生物群的分类特征
考虑到肠道微生物群与宿主微生物共同代谢之间的相互作用，作者对粪便样本进行了非靶向代谢组学检测，结果显示LO-CRC和LO-Control组之间鉴定到了162种差异代谢物，EO-CRC和EO-Control组之间存在167种差异代谢物（图3A-B）。潜在的生态毒性代谢物全氟辛烷磺酸在LO-CRC和EO-CRC样品中积累，氨基酸代谢物，如l -苯丙氨酸和D-鸟氨酸在两种CRC中都显著增加，而一些特定的氨基酸，如甘氨酸、l -天冬氨酸、色氨酸和色氨酸的微生物衍生物仅在EO-CRC样本中富集（图3C-D）。此外，与EO-Control相比，EO-CRC中胆汁酸和胆碱代谢物的含量显著增加，这对磷脂酰胆碱、胆碱、亚油酸、脱氧胆酸和胆酸对胆汁酸的影响明显增强（图3D）。
图3 LO-CRC和EO-CRC的粪便代谢组改变
进一步的KEGG和KO结果分析表明，LO-CRC和LO-Control之间以及EO-CRC和EO-Control之间观察到KO基因的分布明显不同，KEGG富集结果指示出了氨基酸代谢、不同环境下的微生物代谢和脂质代谢的差异。在氨基酸相关功能中，相比于对照组，尿素循环，亮氨酸/异亮氨酸生物合成，组氨酸生物合成和赖氨酸生物合成等在LO-CRC和EO-CRC组中明显减少。组氨酸降解基因、亮氨酸降解基因和苯丙氨酸生物合成基因在所有CRC中都被上调。值得注意的是，色氨酸生物合成途径（trpB）和精氨酸生物合成途径（argE）在EO-CRC中明显上调，但在LO-CRC中没有，而参与GABA生物合成的基因在LO-CRC中明显下降（图4A）。在不同环境下微生物代谢中，与EO-CRC相比，LO-CRC的磷酸戊糖途径升高，与各自对照组相比，EO-CRC中与辛酸降解有关的基因明显增加，但在LO-CRC中减少。此外，有潜在抗肿瘤作用的L-天门冬氨酸在EO-CRC中积累，这可能是EO-CRC的一个独特的代谢特征（图4B）。在脂质途径中，参与磷脂酰胆碱生物合成的基因主要在EO-CRC中升高（图4C）。在涉及的代谢物和酶基因相关的化学反应中，乙酸和乙醛作为底物明显减少，而代谢它们的酶，即atoD、atoA和E1.2.1.10，在LO-CRC患者中富集（图5A），负责生产醋酸和乙醛的基因（argE和cbiGH-cobJ）在LO-CRC组中也明显升高，这表明LO-CRC患者可能消耗和代谢乙酸和乙醛，得到大量的中间产物乙酰CoA，随后可能参与肿瘤的代谢。此外，与对照组相比，EO-CRC患者的胆汁酸、脱氧胆汁酸及其合成酶基因都明显上调，而胆碱、磷脂酰胆碱等在EO-CRC患者中明显下调（图5B）。这些数据表明，LO-CRC和EO-CRC患者有独特的微生物酶反应和代谢过程。
图4 差异基因的功能富集分析
图5 具有代表性的KO基因和代谢标记物的代谢酶反应
为了剖析可能成为LO-CRC和EO-CRC特征基础的宿主和微生物群之间的相互作用，作者评估了所有不同丰度的分类群和代谢物之间的相关性，绘制了分别代表LO-CRC和EO-CRC多组学特征的网络图（图6A-B）。结果表明，乙酸盐水平的降低与LO-CRC中产生丁酸盐的Roseburia intestinalis、Eubacterium eligens等的减少密切相关、 并与LO-CRC中潜在的致癌细菌Bacteroides fragilis、Porphyromonas asaccharolytica和醋酸代谢相关的KO基因atoA和atoD的丰度增加呈负相关。EO-CRC富集的色氨酸及其微生物衍生的代谢物吲哚-3-乙醛与对照组富集的物种，如Faecalibacterium prausnitzii、Roseburia hominis等，呈负相关。胆汁酸代谢产物脱氧胆酸和胆汁酸与Anaerostipes hadrus、Faecalibacterium prausnitzii和EO-Control特异性类群Mycoplasma gallinaceum以及胆汁酸合成相关KO基因cbh、NTE和pldB呈负相关。而在EO-CRC中富集的Flavonifractor plautii与癌症相关的代谢物、全氟辛烷磺酸、亚油酸、L-苯丙氨酸和KO基因pldA正相关。综上所述，微生物KO基因和代谢物的改变与CRC粪便中微生物群的变化有关，数据综合分析可能部分解释LO-CRC和EO-CRC的不同发病机制。
图6 LO-CRC-和EO-CRC多组学的综合分析
作者随后募集了验证队列来检测发现集的结果（图7A），在测试阶段，单独使用细菌分类群、代谢物或KO基因标记物作为LO-CRC和LO-Control之间的预测因子，产生的AUC分别为84.53%、83.3%和84.97%，然而，三者结合后，AUC达到92.34%（图7B），该结果在验证集中得到了确认（图7C）。而在EO-CRC中，49个丰度不同的物种、36个代谢物、59个KO基因和27个综合标志物被选为最佳标志物集，且三特征综合模型比单独分析有更准确的区分效果，外部验证队列中也显示出类似的结果（图7D-E）。综上所述， LO-CRC和EO-CRC患者有其独特的粪便微生物、代谢和KO基因标志物，该特征集的综合标志物作为检测和区分LO-CRC和EO-CRC的非侵入性工具有着很大的潜力。
图7 LO-CRC和EO-CRC的随机森林模型整合多组学标记
【小结】
在这项研究中，作者通过利用多组学数据，首次揭示了LO-CRC和EO-CRC患者粪便微生物组失调和代谢组失调的共同状态，确定了独特的微生物代谢物相互作用，并建立了基于多组学结果的生物标志物集，在区分EO-CRC患者和年龄匹配的对照组方面具有强大的优势，这可能会推动微生物组学衍生策略向精确筛查和诊断的临床转变。... ...
