综述 | Annual Review of Medicine：微生物对癌变的影响：起始、促进和进展

2021-03-29 微生态

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定义微生物群如何以及何时影响致癌将提高风险评估和个性化癌症治疗的时间和策略。

导读

癌变是一个多步骤的过程：正常细胞获得遗传和表观遗传的变化最终导致癌症。与宿主遗传易感性和环境暴露相结合，最近微生物群出现了显著的致癌作用。在结直肠癌（CRC）中，有三种有害微生物一直与癌症的发生有关：（a）产大肠杆菌素的大肠杆菌引起致癌DNA损伤；（b）产肠毒素的脆弱拟杆菌通过毒素诱导细胞增殖和促肿瘤炎症促进肿瘤发生；（c）核梭杆菌通过两种粘附素Fap2和FadA促进结直肠癌的进展，这两种粘附素促进增殖和抗肿瘤免疫逃避，并可能导致转移。在这里，作者利用这三个突出的微生物来讨论微生物活动与癌变之间的联系，以推动这一逐步过程的具体机制。通过精确定义微生物群在每个阶段影响癌变的机制对于制定针对微生物群的癌症诊断、预后和治疗策略至关重要。

论文ID

原名：Microbiota Effects on Carcinogenesis: Initiation,Promotion and Progression

译名：微生物群对癌变的影响：起始、促进和进展

期刊：Annual Review of Medicine

IF：9.716

发表时间：2021.1

通讯作者：LaceyR. Lopez & Janelle C. Arthur

通讯作者单位：北卡罗来纳州立大学

主要内容

在这篇综述中，作者回顾和扩展了微生物区系的特定成员影响癌症发展的机制，并推测它们主要影响癌症发生的哪些阶段。

1 炎症、癌症和微生物之间的基本联系

随着高通量测序的出现和我们对肠道微生物群知识的激增，肠道微生物群逐步影响癌症的发展，最显著的是结直肠癌(CRC)。微生物区系影响宿主代谢、炎症、免疫和细胞增殖，这些过程都是失调时促进肿瘤发生的过程。此外，大量证据表明，微生物可以直接影响肿瘤的形成。来自CRC患者的粪便移植促进无菌（无任何微生物区系）和常规小鼠的致癌作用。在氮氧甲烷(AOM)/葡聚糖硫酸钠小鼠模型中，作者发现转移荷瘤小鼠与非荷瘤小鼠的微生物群加速了肿瘤的发生与发展进程。此外，微生物的结构和生理状态也影响致癌效应，来自CRC患者和健康个体的生物膜相关群落在小鼠模型中比非生物膜群落能够诱导更多的肿瘤发生。这些研究证明了微生物群和CRC发展之间的因果关系，并为进一步的研究提供了理由。

2 致癌过程中的微生物：起始、促进和进展

在过去的十年中，临床前和临床证据将微生物及其代谢物与癌变联系起来。传统认为，微生物生态平衡（平衡菌群)与健康呈正相关，而微生物多样性或功能的改变(失调、不平衡菌群)可以促进疾病的发展，包括各种癌症。

数据表明，微生物病原体在15%-20%的癌症病例（29例)中能够驱动癌症的形成。目前，国际癌症研究机构将10种微生物物种归类为第一类人类致癌物。其中四种：即幽门螺杆菌、乙型肝炎病毒、丙型肝炎病毒和人乳头瘤病毒能够导致90%的人感染相关癌症。尽管病理引发的癌变是过去10年的重点，但与选择性定植(gnotobiotic)小鼠模型的关联研究相关，表1证明了共生微生物的致癌能力（表1）。

癌变可分为三个阶段：启动，促进和进展。启动是由自发或诱导的遗传改变来定义的，例如暴露于致癌剂；这改变了细胞对其环境的反应，并提供了增殖优势。促进是一段前肿瘤细胞增殖和积累，从而诱导额外的遗传损伤和扩增突变的时期。进展的标志是进一步的肿瘤扩张，增强肿瘤的生长速度、侵袭性和转移。微生物在所有阶段都有可能影响癌变（表1）。

表1宿主相关微生物在所有阶段都会影响癌变

3 产生colibactin的PKS大肠杆菌引发癌变

癌症的形成往往是由一种化学致癌物引起的，它会引起遗传毒性或DNA损伤。微生物被预测产生数百种独特的小分子和次级代谢物，可能影响宿主的健康和疾病。这些代谢物通常是由生物合成基因簇编码的复杂酶装配线合成的。一个与癌症相关的基因毒性分子是colibactin，它是由多肽合成酶(PKS)基因簇产生的，存在于大肠杆菌的某些菌株中。大肠杆菌菌株在CRC患者的微生物区系中普遍存在，在小鼠模型中诱导CRC，并在人结直肠肿瘤中留下明显的突变指纹，这指向癌症起始的作用(图1a)。

早期研究表明，pks是在暴露于大肠杆菌的哺乳动物细胞中诱导细胞周期阻滞和DNA修复机制激活的原因，这表明pks产品是微生物衍生的基因毒素。更具体地说，遇到产生大肠杆菌的上皮细胞表现出DNA双链断裂，其特征是γ-H2AX病灶、G2/M细胞周期阻滞、巨细胞增多和ATM/CHK/CDC25/CDK1DNA损伤信号级联的激活。在AOM/白细胞介素10缺乏(IL10−/−)结肠炎相关CRC小鼠模型中，pks首先被证明能增强肿瘤的多样性和侵袭，这些致癌效应在额外的小鼠模型中得到了多个组的验证；后来的工作还定义了colibactin基因毒性效应所需的各种pks基因和蛋白质的作用。

Colibactin-DNA病变，可能导致突变和肿瘤发生。简单地说，非活性前体是在细菌细胞质中合成的，然后由肽酶ClbP在细胞质中去乙酰化。在哺乳动物细胞核中，colibactin烷基化DNA，其双弹头由一个环丙烷环组成，与一个α、β的不饱和亚胺结合，形成腺嘌呤-结肠肌动蛋白加合物和DNA交联。但除此之外，目前尚不清楚生物活性colibactin是如何从细菌中释放出来并进入哺乳动物细胞以引起DNA损伤的。

图1 微生物区系影响致癌的所有阶段（a）启动，第一阶段的特点是DNA改变正常细胞。colibactin是由pks大肠杆菌(green)产生的一种特殊代谢物，具有基因毒性活性，损害DNA并导致突变。（b）第二阶段的促进是转化细胞的增殖。由ETBF（蓝色）产生的BFT破坏结肠上皮和屏障完整性。这种破坏导致原癌T助手17(Th17)-显性炎症。上皮细胞、中性粒细胞和树突状细胞产生细胞因子，激活T细胞促进Th17炎症，包括树突状细胞衍生的IL-23。产生IL-17的T细胞信号回到上皮，并诱导由pSTAT3和NF-κB途径驱动的上皮细胞增殖。（c）进展是最后阶段，其特点是肿瘤生长和侵袭，导致转移。扶杆菌属（红色）分别利用粘附素FadA（棕色）和Fap2（黑色）与肿瘤细胞上的E-cadherin和Gal-GalNAc结合，促进增殖信号传导。Fap2还能在NK细胞上结合TIGIT以增强免疫逃避。（d）虽然还没有强有力的证据表明这些细菌促进转移，但在转移中发现了Fusobacterium和pks致突变特征。缩写：BFT，脆弱类杆菌毒素；ET BF，脆弱类肠毒素；IL，白细胞介素；NF-κB，核因子κB；NK，自然杀伤；TIGIT，T细胞免疫受体与免疫球蛋白和免疫受体酪氨酸基抑制基序(ITIM)结构域。

4 脆弱肠毒素类杆菌促进癌变

几乎每个肿瘤病变都含有免疫细胞。一旦被认为只是一种抗肿瘤反应，炎症可以促进肿瘤的发生和发展。微生物区系和粘膜免疫系统的密切接近为常驻微生物提供了引发原瘤免疫反应的机会。拟杆菌是肠道微生物群的正常居民，约占肠道群落成员的30%，有助于形成粘膜免疫反应。

脆弱拟杆菌是一个关键的拟杆菌群落成员，约占整个肠道微生物区系的0.5-2%。菌株水平的差异使有益的脆弱拟杆菌起到促炎和致癌作用。有益的脆弱拟杆菌被称为非致病脆弱拟杆菌，它通过产生多糖促进调节性T细胞的发育和抑制不适当的炎症。相反，脆弱肠毒素(ETBF)产生一种蛋白水解的肠毒素，称为脆弱毒素(BFT)或脆弱毒素。BFT是一种热不稳定的金属蛋白酶，作为原毒素产生，并由脆弱半胱氨酸蛋白酶激活。ETBF主要通过BFT促进炎症和CRC。

BFT介导的E-cadherin裂解不仅诱导增殖信号，而且增加肠道通透性，增强微生物产物的易位。上皮完整性的破坏触发了促炎级联，导致结肠T细胞快速和持续地产生白细胞介素-17(IL-17)，这是Th17细胞免疫反应的决定性特征。脆弱拟杆菌诱发的IL-17生成是结肠肿瘤发生的关键驱动因素，IL-17中和抑制了结肠肿瘤的发生。因此，ETBF通过援引致瘤性炎症能够促进癌症的发展，部分通过BFT(图1b)。

由微生物及其代谢物引起的免疫反应与CRC患者预后较差有关。在稳态条件下，暴露于附壁下，TH17免疫被训练为保护宿主防御反应。然而，在炎症和癌症的背景下，TH17的释放可能是不适应的。这些数据表明，不适当的BFT暴露会引起上皮、髓系和淋巴样细胞之间的协调反应，从而建立起促进肿瘤的炎症的微环境，从而促进癌症的发展。

5 核梭杆菌促进癌症的进展

健康的组织严格控制细胞信号，以调节生长和维持稳态细胞密度、组织结构和功能。失调的细胞信号可以允许持续和潜在的有害细胞增殖。如上所述，与ET BF有关，微生物诱导的β-catenin与E-cadherin的解离驱动了支持肿瘤促进和增殖途径。核梭杆菌是口腔微生物群的正常居民，可引起牙龈组织的炎症和多个身体部位的感染性炎症状态。

核梭杆菌细胞向结肠的错定位与CRC有关。虽然腔内扩散似乎可能从口腔到结肠，但有证据表明，核梭杆菌能够通过血源性途径到达炎症和肿瘤发生的部位。在CRC患者组织中，核梭杆菌普遍存在，其丰度与癌症严重程度呈正相关，支持核梭杆菌在癌症进展中的作用。

与其他致癌细菌一样，核梭杆菌中的菌株特异性差异驱动了共生与原癌行为。一项早期的研究表明，每天在CRC敏感小鼠中接种核梭杆菌可促进肿瘤的发生，起到致病作用。自早期以来，核梭杆菌的原瘤作用得到了大量证据的支持。此外，作者了解到，核梭杆菌的致癌作用主要是由粘附素、自身转运蛋白2(Fap2)和粘附素A(FadA)介导的(图1c)。

虽然目前尚不清楚微生物在转移性生长中可能起什么作用，但一些证据表明，核梭杆菌在CRC转移中起着重要作用。当在CRC转移中发现核梭杆菌时，许多原发肿瘤微生物群也存在；这表明核梭杆菌可能是多种原癌活动的枢纽。含核梭杆菌的患者来源的异种移植物有活的核梭杆菌，似乎是癌细胞侵袭性的。此外，用甲硝唑治疗肿瘤生长减少，甲硝唑是一种对核梭杆菌非常有效的抗生素。有趣的是，最近的一项研究报告表明，核梭杆菌可以加速实验性乳腺癌和转移性进展，这与CRC的研究结果相似。这种致癌活性涉及Fap2结合Gal-GalNAc对乳腺癌细胞和抑制肿瘤浸润T细胞，用甲硝唑抗生素治疗可抑制转移性进展。总的来说，很明显，核梭杆菌有助于癌症的发生和发展，部分是通过FadA和Fap2粘附素。虽然还需要进一步的调查，但有证据表明核梭杆菌在转移中可能起作用(图1d)。

6 癌变是由多种微生物功能介导的

微生物群适应了一系列的微环境变化，塑造了人类的发展、健康和生存。同时，这些不同的微生物群落可以影响慢性病和衰老疾病，包括癌症。致癌是一个多步骤的过程，正常宿主细胞获得遗传和表观遗传变化，导致癌症。

微生物包括居住在大多数身体部位的巨大微生物群落。虽然微生物群存在健康的共生关系，但生物失调的微生物群落可能有助于致癌过程。致癌和生态改变与微生物之间的联系最好的例子是CRC，在那里宿主和不同的微生物群落之间有密切的联系。然而，微生物可以影响肠外癌症（例如，乳腺癌、泌尿生殖系统、肝脏)在所有阶段的癌变(表1）。虽然人类微生物区系研究和癌症实验动物模型一直强调了几种影响结直肠癌发生的微生物，但目前对影响肠外癌的微生物介导机制知之甚少。

在这篇综述中，作者描述了在CRC中驱动三种关键肠道细菌的致癌作用的机制：大肠杆菌、ETBF和核梭杆菌。此外，作者还提出，这些微生物中的每一个都独特地影响着致癌的特定阶段。大肠杆菌的产生，ETBF促进，Fap2和FadA核体促进癌变的进展。这些微生物说明了微生物的逐步致癌潜力。

7 未来的方向

在2019年，国际癌症微生物联合会发表了一份关于人类微生物群在致癌中的作用的共识声明，指出“微生物群是一个三方、多向相互作用体的顶点，与环境因素以及表观遗传/遗传脆弱的宿主结合导致癌症”。如本文所阐述的，微生物对癌症的形成有局部影响，并通过化学疗法和免疫疗法的生物转化来促进系统效应。在这篇综述中，作者讨论了最近的证据，表明人类相关微生物可以影响致癌的每个阶段：起始、促进和进展。然而，许多重要问题仍然存在。

7.1 哪些其他微生物因素诱发、促进或进展致癌？

微生物具有产生新代谢物的巨大能力。微生物衍生代谢物如短链脂肪酸(SCFAs)和硫化氢(H2S)可影响CRC。丁酸SCFA为健康结肠细胞提供能量，在CRC患者中含量较低。使用丁酸或丁酸产生的微生物可增强健康结肠细胞的线粒体呼吸，并在小鼠癌症模型中抑制肿瘤。相反，H2S在早期肿瘤样本中富集，并可能促进炎症/肿瘤发生。各种物种，如B.wadsworthia和Alistipesspp在CRC患者中丰富，并产生对上皮细胞有毒并导致DNA损伤的H2S。

7.2 微生物群落的生理状态是否影响它们的致癌潜力？

在右侧（近端）大肠癌中一直发现生物膜，可含有ETBF和pks+大肠杆菌。基因易感的小鼠在接种人类结肠生物膜后会发生肿瘤，但健康个体和癌症患者的非生物膜微生物群落很少发生。生物膜阳性和生物膜阴性微生物群落之间的分类差异，使得很难分辨出致癌作用是生物膜依赖还是由于微生物组成的差异。然而，这些发现表明，微生物区系的生物地理分布和微生物间的相互作用在宿主相互作用和可能的癌症中起着未被充分研究的作用。

7.3 微生物改变宿主产品如何影响癌症发展？

许多微生物及其代谢物刺激宿主细胞产生活性氧(ROS)，导致ROS诱导的DNA损伤，从而促进基因组的不稳定性和突变。此外，胆汁酸是众所周知的改变微生物，并可能影响结直肠癌和肝细胞癌。鉴于微生物引起或化学转化的大量代谢物，癌症的发生无疑是由一个人的微生物环境改变的。

7.4 外部环境如何将微生物区系塑造成致癌状态？

慢性炎症能够增加癌症风险和严重程度。最近的一项研究表明，通过TNF-α中和减少炎症改变了微生物区系，并使其在移植到无菌的癌症敏感小鼠时不致癌。在健康的个体中，脆弱拟杆菌和微生物的其他成员通过新的突变不断地在肠道中适应，出现了新的菌株变体，可能获得致癌性性状。

7.5 微生物因素是否驱动特定类型的结直肠癌？

一项研究评估了44例患者的验证队列，其中患者被分层的错配修复(MMR)状态。研究发现MMR状态是微生物群落变异的最强预测因子之一，MMR缺乏的患者比MMR缺乏的患者携带不同的微生物和代谢物。更大的队列和纵向研究很可能揭示某些微生物特征的存在与CRC亚型之间更强的联系。

8 意义和治疗潜力

虽然美国男性、女性和儿童与癌症有关的死亡率总体下降，但新癌症的发病率仍然稳定，或在某些人口统计学上有所增加，而且长达数千年的抗癌斗争仍然存在。这场斗争中的两个重要挑战是：(A)模拟肿瘤微环境中宿主-微生物相互作用的复杂性；(B)个性化药物，以最佳地治疗个人独特的疾病特征，包括致癌微生物。

为了迎接这些挑战，需要纵向的临床研究证明微生物在人类致癌中的因果关系。动物模型的机械研究和实验为人类研究奠定了基础。通过了解微生物如何和在什么阶段影响致癌，可以逐步改进临床干预。通过定义哪些微生物引发癌症，可以确定生物标志物来预测易感个体的癌症形成。通过观察促进癌症的微生物，可以估计治疗效率。最后，通过解决癌症进展的微生物，可以更好地了解预后。此外，可以针对这些致癌微生物和微生物代谢物进行消除，并结合增强有益微生物功能的策略。这些知识可以广泛应用于其他微生物驱动的慢性炎症、感染和肠外癌症的情况。

结论

1. 微生物群影响致癌的开始、促进和进展。

2. 目前，微生物介导的致癌作用：结直肠癌(CRC)。

3. 产生Colibactin的聚酮合成酶(pks)大肠杆菌通过诱导DNA损伤而启动癌变。

4. 脆弱拟肠毒素(ETBF)直接通过脆弱毒素(BFT)和间接通过白细胞介素-17(IL-17)优势促肿瘤、炎症、促进癌变。

5. 核形镰刀菌通过其粘附素、自身转运蛋白2(Fap2)和粘附素A(FadA)促进肿瘤进展、增殖、促进细胞侵袭、有助于逃避抗肿瘤免疫。

6.定义微生物群如何以及何时影响致癌将提高风险评估和个性化癌症治疗的时间和策略。