官宣CP！肿瘤微生物组 × 外显子组 | 微生物专题
微生物是肿瘤微环境不可或缺的成员，在肿瘤的发生、进展以及肿瘤的治疗中发挥重要作用。研究肿瘤，离不开对肿瘤微生物组的深刻洞察。新近出现的5R 16S测序是一种更适合肿瘤组织内微量微生物检测的技术。
FFPE样本是宝贵的临床资源库，蕴含着极其丰富的疾病相关的生物学信息。依托5R 16S测序技术对降解样本的宽容性，可以挖掘出FFPE样本中以往被忽略但十分有价值的肿瘤微生物组信息。
已有的研究证实，肿瘤内微生物与癌症发展之间存在联系，主要有3种潜在的作用机制[1]
1）通过增加突变直接促进肿瘤发生（图1左上）；
2）调节癌基因或致癌通路（图1右上）；
3）通过调节宿主免疫系统来减少或增强肿瘤进展（图1下）。
图1 微生物和肿瘤细胞之间的相互作用
许多微生物产生的化合物可造成DNA损伤、细胞周期停滞和基因不稳定。在肿瘤微环境中出现这种微生物的化合物将会直接增加肿瘤组织的突变。是由一些大肠杆菌和其他肠杆菌科的细菌通过pks位点产生的致癌化合物——Colibactin，是证明微生物具有直接促进肿瘤发生的潜力的一个例证：Colibactin引起双链DNA损伤，从而促进结直肠癌的发生。
共生微生物产物还可以参与宿主致癌通路。有研究报道，共生微生物上调或激活导致肿瘤发生的通路，如Wnt/β-catenin信号通路。改变β-catenin信号可以促进c-Myc和CyclinD-1等癌基因的转录，促进肿瘤发生和进展。
共生微生物群的免疫调节作用及其对癌症发生和进展的影响已被充分证实。在健康状态下，共生菌和宿主免疫系统之间的相互作用处于平衡和稳态。宿主免疫系统对共生微生物群耐受，并对潜在有害病原体做出适度的反应。然而，这种平衡的紊乱和微生物群的失调可能会导致形成促进肿瘤发生和进展的微环境。许多研究表明，局部菌群的失调可以引起慢性促炎免疫反应，从而促进癌症的生长。例如，微生物可激活NF-κβ，它是癌症相关炎症的关键调节因子。除了炎症，局部微生物还会通过抑制抗肿瘤免疫反应来调节局部免疫监视。
癌症是由体细胞突变引起并在体细胞进化过程中产生的。我们对这些体细胞突变的来源仍缺乏完整的了解。人体内拥有大量的微生物群，它们在改变肿瘤微环境和增殖方面起着重要作用。微生物群对基因组完整性的影响主要通过（表1）：
(i) 直接引起DNA损伤
微生物群中的成员可以产生直接导致DNA损伤的蛋白质、分子和次级代谢产物。这些产物可以直接与宿主DNA相互作用，从而使其发生突变。
(ii) 通过免疫细胞诱导的DNA损伤
微生物群和免疫系统从人类发育的早期阶段就密切相互作用。微生物群会影响免疫细胞以基因毒性方式影响宿主基因组。
(iii) 饮食相互作用
宿主的饮食和肠道菌群有着千丝万缕的联系。肠道细菌的营养底物几乎完全依赖宿主饮食，事实上，微生物组的组成与饮食密切相关。饮食是癌症风险的关键调节剂。微生物群-饮食相互作用会产生基因毒性化合物导致宿主基因组突变。
(iv) 破坏DNA损伤的应答
人类DNA在整个细胞周期中都会经历重复的DNA损伤事件。细胞具有复杂的系统网络，其目的是确保DNA的保真度。这种细胞系统被称为DNA损伤应答。错配修复(MMR)机制负责解决DNA复制和重组过程中产生的碱基错配和插入/缺失错对。致病性大肠杆菌在细胞模型中会促进对MMR至关重要的MSH2和MLH1蛋白的耗竭[2]。
了解微生物群驱动基因组突变机制将有助于更全面地了解癌症基因组的起源。
表1 微生物相关的基因组突变机制
研究肿瘤基因组突变，首先想到的肯定是做外显子组测序或是靶向基因测序。再结合肿瘤微生物组如5R 16S测序一起分析菌群组成变化与基因组突变的相互作用关系。不只是新鲜冻存肿瘤组织样本，大量储存的肿瘤FFPE样本也可以用来同时检测和分析肿瘤微生物组和基因组突变，这将大幅扩展可研究的样本资源并进行病例的长期追踪，弥补使用冻存组织的诸多限制。相比于肠道菌群的研究，现阶段直接讨论瘤内菌群与肿瘤基因组突变相互作用的工作还比较少，是一个值得更多探索和研究的方向。
发表杂志：Genome Biology
影响因子：13.583
研究目的：考察体细胞突变和香烟烟雾是否会产生一个与肺癌发生相关的微生物群
研究对象：33例对照和143例癌症患者的肺组织
研究技术：16S测序、TP53靶向测序
研究发现：
与癌旁组织或肿瘤组织相比，正常肺组织的α多样性较低。特别是在鳞状细胞癌（SCC）中，发现了一组单独的菌群，其中嗜酸菌属在吸烟肿瘤患者中富集。此外，这些菌群包括嗜酸菌属在带有TP53突变的SCC病例中表现出更高的丰度，而这种关联未在腺癌中发现。
图1 未患病和癌变组织中肺微生物组的细菌分布和多样性
图2 TP53突变与SCC特有的菌群特征丰度相关
发表杂志：PLoS Genet
影响因子：5.917
研究目的：结直肠癌（CRC）中的体细胞突变特征与周围的肿瘤微生物组是否存在相互作用
研究对象：44对CRC肿瘤组织和配对正常组织
研究技术：16S测序、外显子组测序
研究发现：
肿瘤基因的功能缺失突变和特定细菌群丰度变化存在显著关联。由此，能够仅根据微生物组的组成来预测癌症相关基因的功能缺失突变和通路（包括MAPK和Wnt信号）之间的相互作用。
图1 常见突变基因与多个微生物群的丰度变化存在预测的相互作用
图2 宿主肿瘤突变定义了细菌之间的相互作用网络
参考文献
1. Wong-Rolle A, Wei HK, Zhao C, Jin C. Unexpected guests in the tumor microenvironment: microbiome in cancer. Protein Cell. 2021 May;12(5):426-435.
2. Barrett M, Hand CK, Shanahan F, Murphy T, O'Toole PW. Mutagenesis by Microbe: the Role of the Microbiota in Shaping the Cancer Genome. Trends Cancer. 2020 Apr;6(4):277-287.
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