Science重要發現：癌癥與微生物組

日期：2012-08-20 08:33:18

在生態學領域眾所周知，如果發生一個重要改變擾亂了環境，會使生態系統結構發生巨大變化。同時，相互聯系的物種多樣性、物種豐度和生物間關系也會對整個生態系統的健康帶來決定性影響，不穩定的生態系統會最終破壞環境，例如使一個富饒的森林或草原永久退化。

因此，人體的重要疾病會改變原本穩定的共生微生物群落就不足為奇了，被稱為人類微生物組的腸道生態系統改變會對人體健康產生讓人始料不及的嚴重后果。

權威雜志Science八月十六日發表了一項研究，為上述連鎖反應提供了證據。腸道炎癥是癌癥的一個風險因子，這項研究提出這可能是因為炎癥擾亂了腸道生態系統，使病原體能夠入侵腸道，損害宿主細胞從而提高結腸癌的風險。

在腸道炎癥小鼠模型的一系列實驗中，研究人員發現炎癥會使腸道微生物群落的多樣性大大簡化，使新細菌種群能夠建立落腳點。在入侵受損腸道生態系統的細菌中，研究團隊發現E. coli及相關細菌顯著增多。研究人員給無菌培養的小鼠注入E. coli，發現這會導致腫瘤形成。而去除E. coli基因組中涉及DNA損傷的區域后，E. coli引發腫瘤的能力大幅減少。

研究人員強調小鼠實驗的結果能夠為人體健康提供參考，因為他們發現很大部分結腸癌和腸易激綜合癥患者體內都存在含嫌疑基因的E. coli突變株。

這篇文章的共同作者，北卡羅來納大學夏洛特分校的生物信息學副教授Anthony Fodor是美國國立衛生研究院NIH人類微生物組計劃中的一員。此前他的一項研究發現結腸腺瘤患者的組織學活檢切片中E. coli水平大大高于健康的對照組，文章發表在5月24日的International Society for Microbial Ecology雜志上。當時這項研究只是一個初步成果，不能得出可靠的結論，也未能從現象上升到機制。

而在新研究中，研究人員的第一步就是將腸道炎癥生理學條件與腸道微生物群落變化建立清晰的聯系。研究人員建立了腸道炎癥小鼠模型IL10-/-小鼠，這種小鼠缺乏抑制炎癥反應的基因。隨后他們通過16S rRNA測序技術鑒別細菌突變株，對IL10-/-小鼠和正常野生型小鼠腸道的細菌群體進行比較。研究顯示，基因工程小鼠的腸道細菌多樣性明顯較低。而在IL10-/-小鼠中，只患炎癥的小鼠與同事患有炎癥和癌癥的小鼠之間，腸道內細菌多樣性并沒有多少區別，這說明炎癥是影響微生物種群的關鍵因素。研究還發現，盡管腸道菌總體多樣性下降，但大腸桿菌E. coli隨著炎癥發生顯著增多。

研究人員希望找到E. coli與結腸癌之間是否存在因果關系。為此，他們對無菌培養的IL10-/-小鼠分別接種E. coli突變株（NC101）和另一種常見腸道菌Enterococcus faecalis。這兩組小鼠都發生了嚴重的腸道炎癥（結腸炎），但很明顯有80%接種E. coli的小鼠患結腸癌，而接種Enterococcus faecalis的小鼠沒有患癌癥。

實驗說明，是E. coli和炎癥環境一同引發了癌癥，而非炎癥單獨作用。“這使我們接觸到了疾病的機制，”Fodor說，“因為研究強有力的證明E. coli通過某種方式使小鼠發展出癌癥。”

研究人員通過分析了解到，一些E. coli菌株含有被稱為“pks島”的基因，這種基因涉及了引發DNA損傷的通路。當研究人員將剔除了“pks島”的E. coli NC101菌株接種小鼠，發現小鼠依然產生炎癥，但腫瘤形成的幾率顯著減少。研究人員總結道，E. coli引發炎癥的宿主-細菌相互作用與炎癥發展為癌癥的機制不同。