Nature｜首次证实结直肠癌基因突变可由肠道菌群释放毒素所导致

发布时间：2023-02-10 14:05:20 I 企业名称：桔园平台 I 作者：测序中国

人类体内存在大量的细菌，其中大多数有助于人类的健康生活，有些则可能导致疾病。在有潜在危害的细菌中，大肠埃希氏菌（E. coli）是最著名的肠道菌。这种大肠杆菌菌株具有一定的“遗传毒性”，其携带的一种保守的致病性基因“聚酮合成酶（polyketide synthase，pks）”岛，可产生小分子毒性物质colibactin，破坏细胞DNA。因此，长期以来人们怀疑pks+大肠杆菌可能对其人类宿主有害。科学家猜测癌症突变也可能与这种常见的肠道细菌有关。

此前，来自荷兰、英国和美国的科学家已经发现，某些大肠杆菌菌株释放的毒素会导致肠道内膜细胞双链内交联和独特的DNA损伤模式。但到目前为止，人们仍不清楚pks+大肠杆菌是否能够通过破坏DNA诱导结直肠细胞中的癌症突变，及其与结直肠癌细胞突变特征之间的联系。

近日，来自荷兰的研究团队为这一观点提供了新的证据。研究团队通过将体外培养的人类肠道类器官暴露在pks+大肠杆菌中，发现这些细菌可诱导人类细胞DNA的独特突变模式。同时，研究人员在结直肠癌患者的DNA中也发现了类似的突变模式。该研究首次将人体内的微生物与驱动癌症发展的遗传变异建立了直接联系，或可为预防、治疗结直肠癌提供新的思路。该研究成果发表在2月27日的《自然》杂志上。

为了解pks+大肠杆菌对人类DNA的破坏作用。研究团队对健康的人类肠道类器官反复进行腔内注射，暴露于具有遗传毒性的pks+大肠杆菌，并以不产生遗传毒性的大肠杆菌作为阴性对照。在暴露五个月后，研究人员对类器官细胞进行了全基因组测序，并分析了细菌引起的突变数量和类型。通过免疫染色检验，研究发现，pks+大肠杆菌类器官模型中可以引发双链内交联以及DNA双链损伤，说明人肠道类器官能够很好地模拟体内结直肠癌病理特征。

图1.研究流程图，来源：Nature

图2. 大肠杆菌注入类器官的示意图，以及类器官的荧光显微镜图像。人肠道类器官（绿色）充满了标记细菌（蓝色）。来源：Hubrecht Institute。

DNA突变模式可以告诉我们可能引发疾病的遗传基础。研究人员表示：“这些突变特征在确定癌症原因方面可能具有巨大价值，甚至可以指导治疗策略。我们已经在儿童的几种癌症中识别出独特的突变模式。现在，我们想知道遗传毒性细菌是否也在DNA中留下了独特的突变足迹。”

结果显示，与阴性对照相比，类器官中的DNA损伤大约是前者的2倍。pks+大肠杆菌实验组中，单碱基替换的比例显著增加。此外，colibactin能够同时结合两个A，并将它们交联。colibactin造成的DNA损伤遵循两种特殊模式：A替换，在较长的A序列中丢失单个A。

图3.细菌毒素与特定DNA序列结合。来源：Hubrecht Institute。

在确定了pks+大肠杆菌引起的突变模式后，为研究其引起的DNA损伤是否在结直肠癌中起作用，研究人员随后共分析了来自英国和荷兰的5,876个肿瘤样本的DNA序列，涵盖了数十种不同的癌症类型。

图4.结直肠癌中突变鉴定。细菌突变模式显示在右上角，特定突变突出显示为DNA分子中的红色球体。来源：Hubrecht Institute。

通过分析3668种不同癌症类型的荷兰样本，研究发现colibactin造成的DNA突变模式存在于多种肿瘤中。与其他类型的癌症相比，在结直肠癌中存在的频率更高。随后，研究团队针对结直肠癌样本进行了研究。通过分析来自英国基因组学组织的十万人基因组计划的2208个结直肠癌样本，发现其中4%~5%患者的突变特征与colibactin造成的DNA突变模式一致。

研究人员表示，该研究第一次在结直肠癌中发现了人类肠道细菌引起的独特DNA损伤模式。通过研究肠道细胞中与细菌毒素相关的指纹图谱，或有助于结直肠癌风险预测。但该研究结果仍需通过进一步研究，来阐明细菌毒素在癌症驱动突变中发挥的作用，以及可能与结直肠癌早期阶段有关的其他微生物组成分。

据悉，这项发表在《自然》的最新研究是耗资2000万英镑的英国癌症研究“挑战赛”项目的第一个主要成果。该项目致力于了解微生物组如何影响癌症的风险、发展和治疗。英国癌症研究中心高级健康信息经理Nicola Smith表示：“医生对肠癌如何发展了解得越多，就越能更好地发现并实施治疗，甚至帮助人们降低风险。对于高风险人群，尽早进行肠癌筛查有助于在早期发现疾病。”