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多组学研究 | 结直肠癌相关微生物群可导致表观遗传修饰改变

2020-06-24点击20次
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实验技术:WES+16S rDNA 测序 + 甲基化芯片

期刊:PNAS        

时间:2019.12.26

研究路线

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主要结果

FMT 移植小鼠:结肠组织中与生物异常相关的组织学改变

FMT 后,N- μ 组表现正常。而 CRC- μ 或 AOM 单独处理,以及 CRC-μ+AOM 处理组都表现出了轻微的炎症反应,以及异常隐窝病灶。通过 mRNA 细胞因子定量评估,AOM 治疗倾向于放大这种刺激作用。此外,对整个组织学检查肠粘膜髓细胞的半定量评估显示,与 N - μ 相比,CRC- μ 的粘膜髓细胞数量有增加的趋势,但在任何时间点都没有达到统计学意义。

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图 A -G: 组织病理学变化;图 H: 对细胞增殖,病理癌变的的影响;图 I:ACF 的数量;图 J:粘膜炎症变化;图 K: 肠粘膜髓细胞的变化。

小鼠体内 FMT 后的微生物区系特征变化

为了评估微生物群落对观察到的粘膜表型差异的影响,对小鼠粪便样本进行 16S rDNA 测序分析,结果显示,在基线水平下,与 N - μ 组相比,CRC-μ(n = 9 个供体)组的粪便微生物群中梭杆菌、帕维单胞菌、丁酸弧菌、和低比例的 Ruminococcus,双歧杆菌、真细菌和 Lachnospira。随访期间,各组的 Coccoides, Clostridium leptum,  和  Bifidobacterium 均出现中度下降。此外还发现,组织学改变与起到抗炎作用的细菌含量减少相关(Faecalibaterium,Eubacterium  以及厚壁菌门的种属)。

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FMT 对小鼠 DNA 突变的影响

为了分析 FMT 对宿主进行 DNA 修饰的影响,研究人员对小鼠结肠黏膜组织进行全基因组测序,覆盖 24000 个基因中的 220,000 个外显子。小肠组织中整体外显子 / 内含子水平的突变发生率明显高于脾脏组织。在结肠黏膜中,N- μ 组在外显子或内含子的 DNA 发生改变要比 CRC- μ 组低,但并没有达到显著性。此外,给予 CRC-μ+AOM 组的小鼠显示出最高水平的外显子或内含子的 DNA 改变。为了分析 CRC- μ 诱发的局部致癌潜力,作者继续对以下选择的基因通路进行了深入分析:Wnt 和 catenin(19 个)、Notch(4 个)、PPAR(3 个)、SMAD(2 个)、TGF- inhibitor 2 个基因,ACRV 2 个基因,DKK 4 个基因,TCF 2 个基因,MYC 1 个基因,SOCS 1 个基因。最显著的变化发生在关键的 Wnt 通路基因中(11 个 Wnt 基因中存在 indel 和单核苷酸多态性),CRC- μ 组和 N - μ 组之间没有显著差异。根据结肠粘膜或脾脏样本中单核苷酸的总 DNA 变化,对动物进行亚群分析,表明基因突变与微生物类型(N 或 CRC) 或给小鼠的治疗(生理盐水或 AOM) 有关。

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图 A:CRC 粪便处理组比对照组,在 exon 和 intron 上的 SNP 位点要多,但是不显著;图 B:基于 SNP 的 PCA;图 D:不同组间 Wnt 基因突变率比较,AOM +CRC- μ 组最高


FMT 对小鼠 DNA 甲基化的影响

在小鼠结肠粘膜组织,CRC- μ 相对于 N - μ 可以诱发更大的表观遗传改变。N-μ + NaCl  甲基化高于 CRC-μ + NaCl  高于 CRC-μ + AOM  组;CRC-μ + AOM  组的为甲基化探针数比 N -μ + NaCl   组高 11%,CRC-μ  和 AOM  处理后,完全甲基化的探针较高。

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结肠癌病人样本中的基因甲基化

通过检测血液,粪便,CRC 组织和排泄物(n = 9) 和正常组排泄物(n = 9) 的甲基化,最终从高甲基化的基因上,选出 8 个在所有样本中都一致的基因(Wif1-regulating gene and SEPT9, SFRP1,2,3,PENK, NPY, and ALX4 genes),最终确定了 3 个基因进行验证。三个基因和一个看家基因的 CMI 值可以区分 CRC 和正常人,specificity and the sensitivity of CMI > 2 in blood was 95 and 59%。多因素分析显示 CMI 是 CRC 诊断的独立危险因素,包括粪便免疫化学血液检测。

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微生物组成与 CMI 的关系

根据基因的 CMI 值可以把群体分成两类,CMI 大于 2 和 CMI≤2。宏基因组分析显示,在 CMI > 2 患者(n = 53) 和 CMI≤2(n = 90) 患者中,包括几种 Parvimonas(单胞菌)在内的 20 种细菌在丰度上存在差异。

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结论

CRC 相关的微生态失调导致宿主基因甲基化,相应的 CMIs 和相关细菌可能是 CRC 的 biomarkers。

参考文献:Colorectal cancer-associated microbiota contributes to oncogenic epigenetic signatures. Sobhani et al. Proc Natl Acad Sci U S A (2019)


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