人类微生物组遗传与地理信息和物种水平传播能力相关性研究（四）
黑色素瘤和前列腺癌患者肠道微生物种内系统发育信号
基于先前关于特定疾病与肠道微生物组菌株变异关联的研究，我们在多队列数据集中检验了物种基因组分支（SGB）菌株水平系统发育与多种疾病的关联性。结果显示，37个SGB的菌株水平遗传系统发育与人类疾病相关，值得注意的是，部分SGB与不止一种疾病状态相关。例如，在欧洲样本中，产气柯林斯菌与四种不同疾病（黑色素瘤、炎症性肠病、高血压和哮喘）相关，而直肠真杆菌与三种疾病（乳糜泻、炎症性肠病和自述严重或慢性精神疾病）相关。
总体而言，17种不同疾病与至少一个SGB菌株水平系统发育相关，其中结直肠癌、高血压、炎症性肠病和黑色素瘤表现出跨大陆的关联性。在亚洲个体样本中，CRC与费氏梭菌相关，而在欧洲个体样本中则与毛螺菌相关，这与近期包含多个CRC病例/对照队列的研究结果一致。值得注意的是，CRC常与梭杆菌属及其进化枝相关，其他几种细菌亦然，但由于这些CRC相关物种丰度较低，本研究中无法进行大规模系统发育重建（表S1.3）。
若干菌株水平的肠道微生物系统发育与其他疾病状态相关。例如，亚洲样本中2个SGB和欧洲样本中13个SGB与IBD相关，这可能与欧洲研究中IBD队列的大样本量有关。亚洲个体样本中的两项关联在欧洲样本中均得到重复验证，涉及韦氏布劳特菌和普拉梭菌。
值得注意的是，欧洲（elpd_diff = -141）和北美（elpd_diff = -49.9）肠道微生物组数据均显示，黑色素瘤患者样本与产气柯林斯菌系统发育之间存在最强的两项关联。尽管样本来自不同大陆和研究，欧洲与北美样本中黑色素瘤患者均富集同一进化枝。我们将欧洲和北美样本整合到产气柯林斯菌系统发育中，并划定了黑色素瘤富集的进化枝（图5）。该进化枝主要包含已确诊黑色素瘤的样本（进化枝内181个样本中有123例黑色素瘤，系统发育树中共有170例黑色素瘤患者样本，进化枝内黑色素瘤优势比OR = 131.843，p < 2×10-16）。这些黑色素瘤样本来自5项黑色素瘤专项研究的3个不同国家：LeeKA_2022（85例样本：33例荷兰、52例英国）、McCullochJA_2022（19例美国样本）、WindTT_2020（8例荷兰样本）、FrankelAE_2017（10例美国样本）和PetersBA_2019（1例美国样本）。我们进一步调查了包含既往治疗信息的LeeKA_2022和McCullochJA_2022样本中，既往治疗与进化枝归属是否存在显著关联，但在当前样本量下，两项研究均未观察到显著关联（逻辑回归分析既往治疗与癌症进化枝的对数优势比 = 0.3，p = 0.36）。该进化枝也与实体瘤疗效评价标准（RECIST）定义的癌症治疗反应无关，表明无证据支持该特定柯林斯菌进化枝与癌症治疗疗效相关（包含/不包含RECIST术语的逻辑回归似然比检验，p = 0.46）。
图5 | 产气柯林斯菌的系统发育树显示出在黑色素瘤和前列腺癌中富集的进化
黑色素瘤患者（红色标注）和前列腺癌（蓝色标注）患者的肠道宏基因组样本，在一个具有高强系统发育信号的癌症富集进化枝（灰色阴影）中聚类。该进化枝中的样本来自不同研究、国家和大陆（系统发育树周围以颜色标注）。外环标注了系统发育效应中位数（phylo_effect_median，指示每个样本中黑色素瘤预测的系统发育信号强度，见STAR方法）、癌症类型、研究名称、国家和大陆信息。
除黑色素瘤外，我们发现前列腺癌在菌株水平上与产气柯林斯菌系统发育相关。PernigoniN_2021研究中纳入系统发育树的绝大多数参与者（14例中的12例）均聚类于同一进化枝（Fisher精确检验显示富集具有显著性，p = 4.97×10-14），包括7例英国样本和5例瑞士样本。值得注意的是，该研究所有个体均患有前列腺癌，包括激素敏感性前列腺癌（系统发育树中4例，均位于癌症富集进化枝内）或去势抵抗性前列腺癌（系统发育树中10例，8例位于癌症富集进化枝内）。然而，该进化枝与抗雄激素药物（恩杂鲁胺/阿比特龙）或抗肿瘤药物（多西他赛/卡巴他赛）治疗无关联。原始研究表明，某些细菌可产生睾酮等雄激素，这类物质与癌症不良预后相关。为探究该进化枝内细菌是否与循环睾酮水平升高相关，我们利用SchirmerM_2016研究中健康参与者的血浆睾酮测量数据（其中15/298名参与者属于黑色素瘤富集进化枝），但未发现该进化枝与血浆睾酮浓度存在显著关联（p = 0.42）。
为深入探究该进化枝的功能，我们利用系统发育树中的样本重建了44个高质量的产气柯林斯菌宏基因组组装基因组，其中7个属于黑色素瘤富集进化枝样本：4例来自LeeKA_2022研究，2例来自McCullochJA_2022研究，1例来自WindTT_2020研究。从这些重建的MAGs中，我们鉴定出332个UniRef90注释在黑色素瘤进化枝与系统发育树其他部分之间存在差异富集，其中218个基因在黑色素瘤富集进化枝中更常见（表S5.4）。对于56%的检测基因，我们可推断其所属的MetaCyc代谢通路。利用这些注释基因，我们进行了额外的富集分析（SEA）以揭示癌症富集进化枝内过度或不足表达的通路，发现黑色素瘤富集进化枝中存在10条过度表达的通路（FDR < 0.05），包括5条与钴胺素（维生素B12）生物合成过程相关的通路。尽管不同队列间结论存在差异，但既往研究显示高维生素B12水平与癌症风险相关。
总之，这些结果表明，产气柯林斯菌这一进化枝在多个国家的不同研究中均常见于两种不同类型的癌症——黑色素瘤和前列腺癌。基于本研究数据，该进化枝的存在似乎与黑色素瘤的临床结局或前列腺癌的睾酮生成无关；然而，仍需进一步功能分析以明确该产气柯林斯菌进化枝在疾病发生发展中的作用。
相关新闻推荐
2、荧光分光光度法测定硫酸盐还原菌SRB菌株标准曲线、生长曲线