胰腺癌微生物组与肿瘤发生及男性和吸烟患者的较差预后 ...

韩小咪

今天和大家分享一篇2020年7月在Cancers上发表的文章"The Pancreatic Microbiome is Associated with Carcinogenesis and Worse Prognosis in Males and Smokers",肿瘤内微生物已经被发现在其他多个类型的癌肿的发生中是重要的贡献因子，甚至被认为是一种潜在描绘和评估危险的因素。本文通过认定胰腺癌内微生物组并阐释了肿瘤内微生物与胰腺癌预后之间的关系，同时作者更进一步探讨了胰腺癌内微生物和性别、吸烟等危险因素之间的关系。通过对这篇文章的学习，我们一起来了解一下微生物在胰腺癌的发生发展中起到的作用吧~
一、研究背景

• 胰腺癌是全球12大最常见的恶性肿瘤之一，并且具有高度致死性，其所有分期的五年生存率仅有9%。
  
• 胰腺癌微环境极具特征：免疫抑制介质富集、高密度的基质包围，低T细胞浸润和低突变负荷造成了独特的免疫抑制微环境。
  
• 因此，免疫治疗、靶向基质治疗、肿瘤新抗原疫苗这些新兴的治疗方法在应用于胰腺癌时面临着肿瘤免疫抑制微环境的巨大挑战。
  
• 肿瘤内微生物组被认定为可以预测长期生存胰腺癌，并且先前的研究揭示了微生物因素可能会影响肿瘤的生物学行为和病人生存的结局
  

二、研究方法

• 研究队列：来自TGCA的187个PAAD样本
  
• 去除污染微生物
  
  
  • 筛选出具有对应特定日期的异常高丰度的微生物：以热图的形式可视化了癌症患者的微生物丰度，并去除了存在高微生物丰度日期的任何微生物，这样的样本将其确定为污染微生物。
    
  • 根据样本所属Plates ID确定污染微生物：在Broad Institute’s GDAC Firehose获得公开的各个样本的测序板信息。通过以测序板ID对样本分组，使用KW检验（p<0.05）和以箱式图直观地观察到微生物丰度值与不同板之间的丰度差异相关。
    
  • 根据微生物在患者中丰度变化差异判定：基于“环境污染微生物常常同等的影响所有读长，且并不会随着总测序数量的增加而增加”的设想，以单个微生物丰度与该样本中的总微生物量绘图，挑选散点图中表现为“微生物丰度随样本总微生物量增加而增加” 的微生物，它们更有可能是在生物学和实际存在于样本中的微生物。
    
  • 根据先前研究排除污染微生物
    
  
  
• 胰腺癌内微生物的认定与验证
  
  
  • 验证队列：GSE79670
    
  • 工具：QIIME2框架下支持的alpha多样性分析
    
  
  

三、结果简述



图1

• 污染修正
  作者通过研究方法中简述的四种去除污染微生物读长的方法，去除了可能为污染微生物群的读长。其中红色部分所代表的微生物组是通常被认定为污染微生物的组群，而蓝色部分则指代缺乏丰度变异的微生物组群，黄色部分代表使用测序日期筛选出来的污染微生物群（图1）。作者在文中提到，总共有 200 多个分类群被鉴定为污染物，其中73 个被 Pathoscope 鉴定的分类群从分析中删除。但其中去除的污染微生物（由测序日期和缺乏丰度变异的方法确定）并不全部与常见污染微生物群重合。
  
• 微生物丰度与患者较差预后相关
  
  
  • 多个微生物群的丰度与转移胰腺癌相关
    如Mycoplasma hyopneumoniea（猪肺炎支原体），Shigella sonnei Ss046（志贺氏菌），primary endosymbiont of Sitophilus zeamais（玉米象内共生体），Salmonella enterica（肠道沙门氏菌）表示微生物丰度与转移胰腺癌之间有相关性，而Viridis Saccharomonospora viridis DSM 43017（绿色糖单孢菌）则与非转移胰腺癌相关（图2）。作者在文中表示，与转移胰腺癌有相关关系的微生物大多属于Proteobacteria（变形菌属）。
    
  
  

图2

2.微生物组与高级别胰腺癌之间的关系
分析发现Acidovorax ebreus TPSY（嗜酸菌）不仅与转移胰腺癌相关，且与病理形态学高级别胰腺癌相关。
3.微生物丰度和免疫相关基因表达

• 甲基化通路失调
  大量失调的通路以甲基化为中心，在选定的上调的一组微生物中出现；这些微生物包括Aggregatibacter aphrophilus NJ8700（嗜热聚集杆菌）、the primary endosymbiont of Sitophilus zeamais（玉米象内共生体）等等。
  
• 肿瘤发生与免疫抑制通路
  丰度与预后和病理形态相关的微生物群，伴随着免疫抑制和癌症发生等相关通路的失调（图3）。
  

图3

3.免疫细胞群预测
根据Acidovorax ebreus TPSY（嗜酸菌）的丰度分高、低两组，并进行免疫细胞群预测。如图所示， A. ebreus 与显著的免疫失调相关。具体而言，高丰度与较低的总 M2 巨噬细胞、活化的记忆 T 细胞和 CD8 T 细胞群体大小相关，表明免疫抑制与之相关。
4.受危险因素影响的微生物丰度
先前的研究证明了特定的行为和特征将会影响微生物的组成，在这篇文章中作者以胰腺癌的两大危险因素——性别、是否吸烟，探讨其与微生物丰度的相关性。分层方法选用QIIME2的beta多样性分析主成分分析。
1、性别与肿瘤内微生物组

• 与性别相关的微生物组
  

1)A. ebreus （嗜酸菌）和 Acinetobacter baumannii SDF（鲍曼不动杆菌）在男性病人中丰度上调;
2)而在女性病人中Geobacillus kaustophilus HTA426（嗜热土芽孢杆菌）和Escherichia coli 55989（大肠杆菌）微生物丰度呈现上调（图4）。



图4

2. 性别相关的微生物组GSEA分析：其中G. kaustophilus丰度表现出其通路调节可能与性别相关——在男性患者中表现为下调肿瘤抑制通路和上调免疫通路，而在女性中则完全相反。
3.微生物丰度与CNA和变异率：男性和女性组的CNV均与大肠杆菌丰度相关，但两组位点并不重叠。
2、吸烟事件与肿瘤内微生物

• 与吸烟事件相关的肿瘤内微生物：以KW检验比较吸烟组与不吸烟组之间的微生物丰度。Acinetobacter baumannii SDF（鲍曼不动杆菌）与吸烟组相关；Mycoplasma hyopneumoniea（猪肺炎支原体）与非吸烟组相关。
  

图5

2.GSEA分析：这两种微生物都与致癌特征的上调、免疫和肿瘤抑制特征的下调以及显著的甲基化活性相关（图5）。
3.微生物丰度与拷贝数改变 (CNA) 和突变率：猪肺炎支原体的 REVEALER 图表明与 9q13 基因座缺失显著相关，9q13 基因座以其潜在的肿瘤抑制活性而闻名。
四、小结
本研究中共发现 13 种微生物与晚期肿瘤进展相关。这些微生物与致癌甲基化、癌症进展和免疫系统调节相关的基因特征失调有关。同时证明了一些微生物组在男性和女性 PAAD 患者的癌症和免疫相关通路的丰度和激活上存在差异。对与胰腺癌相关的微生物进行更深入的测序以及体外和体内研究可能会通过基于微生物 DNA 的诊断组或抗生素方案揭示潜在的诊断或治疗策略。
随着微生物组在癌症发生、进展、预后中的作用逐渐被揭示，微生物组学在癌症方面逐渐兴起，如火如荼。而在生信研究方面，往往受到污染微生物群的限制，因此大多数文章在队列和数据的选择上通常为内部测序样本。
本篇文章仍存在一些亮点，其采用TCGA-PAAD数据，以公共数据完成了对胰腺癌内微生物的分析，同时提出了自己筛除污染微生物的方法；但在肿瘤内微生物确定上实际上采取了多种方法拟合，精确度并不高。对于纯生信文章进行微生物组研究的小伙伴们有一定的参考价值~
原文转自：医学僧的科研日记（ID：zzudoctor）

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