Nature Metabolism：具核梭杆菌衍生的代谢物甲酸盐加剧结直肠癌进展

2022年4月，卢森堡大学、爱尔兰国立大学等单位的相关研究人员在《Nature Metabolism》（IF: 14.9）上发表了题为“The gut microbial metabolite formate exacerbates colorectal cancer progression”的研究论文，揭示了具核梭杆菌（Fusobacterium nucleatum，Fn）衍生的代谢物甲酸盐，通过增强AhR信号传导和调控癌症干细胞（CSC）促进结直肠癌进展的作用机制，并确定了小分子甲酸盐作为一种肿瘤代谢物，有助于结直肠癌细胞的干性、侵袭和转移。

研究人员首先分析了CRC患者(n=63)粪便样本的细菌组成，并使用16S核糖体RNA基因测序将其与健康队列(n=52)的粪便微生物组进行了比较，同时使用宏基因组数据分析工具PathSeq，对来自癌症基因组图谱(TCGA)(n=595)和欧洲基因组-表型组档案(EGA)(n=69)的数据集中识别CRC组织相关的细菌属和物种，发现CRC患者的粪便和组织中的具核梭杆菌水平均升高。随后将患者中较高水平的具核梭杆菌与CRC的CMS分类相关联，结果表明，梭杆菌不仅在 CMS1 中起作用，而且在 CMS3 中起作用，CMS3 富含代谢途径，包括谷氨酰胺、脂肪酸和溶血磷脂代谢。

Fn 在结直肠癌患者中升高，并与共识分子亚型3 相关

为了进一步探究具核梭杆菌Fn如何影响肿瘤细胞代谢，研究人员使用了模块化灌注生物反应器系统HuMiX。具核梭杆菌Fn与患者来源的原发性CRC细胞系T18共培养显示出促癌作用，并通过非靶向和靶向代谢物分析揭示了其代谢特征的改变即向甲酸盐分泌增加和癌症谷氨酰胺代谢的代谢转变。研究人员还发现微生物组与宿主相互作用诱导与细胞侵袭相关的信号通路。在具核梭杆菌Fn与T18细胞共培养中甲酸盐诱导癌细胞的干细胞特性，研究人员进一步在类器官模型证实了甲酸盐通过增加癌细胞干性驱动CRC细胞的侵袭。

Fn（左）和T18细胞（右）在共培养与单一培养中的中心碳代谢代谢模型

为了更好地了解甲酸盐诱导癌细胞干性和转移的潜在分子机制，研究人员对甲酸盐处理的T18细胞进行了RNA-seq。IPA分析显示AhR信号为最显著激活的途径。为了评估具核梭杆菌 Fn 与宿主体内共代谢的影响，研究人员用具核梭杆菌Fn或甲酸盐注射皮下小鼠肿瘤和异种移植物，体外实验结果表明，具核梭杆菌Fn衍生的甲酸盐通过激活AhR信号通路诱导癌细胞干性和转移性扩散。

甲酸盐激活AhR信号通路

为了研究具核梭杆菌Fn 及其分泌产物甲酸盐在癌变过程中对肿瘤和免疫细胞的作用，研究人员将具核梭杆菌Fn口服灌胃给予无菌CRC小鼠模型。与对照组相比，具核梭杆菌Fn灌胃后肿瘤数量显著增加，调节性T细胞（Treg）有所扩增，固有层NK细胞水平升高，小鼠结肠中的OCT4阳性细胞数量增多，这些结果表明癌细胞干性增加，可能是由AhR驱动的。随后，研究人员通过饮用水给无菌小鼠模型施用甲酸盐，甲酸盐处理后肿瘤发生率没有显著增加，与对照组相比，甲酸盐处理导致肿瘤发病率、肿瘤大小增加以及 Th17 细胞增加。

甲酸盐在癌变过程中对肿瘤和免疫细胞的作用

综上所述，该研究提供了一种综合方法来研究微生物群在 CRC 中的作用。该研究表明微生物组衍生代谢物的作用，尤其是甲酸盐，通过增强的 AhR 信号传导和癌细胞干性调控，在具核梭杆菌Fn的致瘤特性中起着关键作用。值得注意的是，该研究证明了甲酸盐在癌细胞干性中的作用，结合之前讨论的其他研究，其他肠道微生物也会产生甲酸盐。总之，该研究确定微生物衍生的甲酸盐是结直肠癌中的一种肿瘤代谢物。

肠道微生物群通过分泌的甲酸盐驱动CRC侵袭