导读：
2024年8月1日，上海交通大学医学院附属仁济医院房静远教授团队在Cell Host & Microbe（IF2024=20.6分）杂志发表了题为“BCAA-producing Clostridium symbiosum promotes colorectal tumorigenesis through the modulation of host cholesterol metabolism”的研究论文。该研究通过多个临床队列、动物模型及多组学研究揭示了共生梭菌（C. symbiosum）通过产生支链氨基酸（BCAAs），调控宿主细胞胆固醇代谢进而活化下游Sonic hedgehog 信号传导，增强癌细胞干性，成为结直肠癌发生和进展的潜在驱动因素。
01 研究背景
结直肠癌（CRC）是一种常见的恶性肿瘤，其发生发展受到多种因素的影响。越来越多的研究表明，肠道微生物群的失调与CRC的发生密切相关，其中具核梭菌、肠产毒素的脆弱拟杆菌和pks+大肠杆菌已受到越来越多的关注。
该团队前期通过多中心临床研究发现，粪便共生梭菌的丰度在正常人群、腺瘤、早期结直肠癌患者中依次增多。近年来，细菌代谢物的积累及对肿瘤干性的调节已被证实可以促进肿瘤的发生和发展，然而，对于富集的共生梭菌是否以及如何影响CRC的发生和发展，仍有待探究。
02 实验设计
首先研究人员建立多个临床队列，探究肿瘤组织中C. symbiosum与结直肠肿瘤的临床相关性；借助单细胞转录组测序探究C. symbiosum对结肠癌肿瘤功能表达的影响；采用肿瘤类器官培养、极限稀释实验等进一步验证C. symbiosum对肿瘤干性的调控。多种小鼠模型及体外实验验证共生梭菌通过产生支链氨基酸调节宿主胆固醇代谢促进结直肠肿瘤干性的内在机制。
03 研究结果
3.1 C. symbiosum与CRC的发生和发展密切相关
首先，研究人员通过分析CRC患者的肿瘤组织和粪便样本，发现C. symbiosum在肿瘤组织中显著富集，与肿瘤分期和大小呈正相关，并且能引起患者10年生存率降低。同时，作者发现粪便中共生梭菌富集的结直肠腺瘤切除患者术后更易复发。这些结果表明，C. symbiosum可能在CRC的发生和发展过程中扮演重要角色。（图1）
图1 C. symbiosum在结肠癌患者中富集，并与结直肠癌患者的临床特征相关
3.2 C. symbiosum 促进结直肠癌的进展
研究者建立了多种消除细菌的小鼠模型：结肠炎相关癌症（CAC）模型、基于偶氮甲烷（AOM）的散发性肿瘤模型和ApcMin/+小鼠模型。通过多种小鼠模型实验和体外细胞实验发现，C. symbiosum能够促进肠道细胞的增殖，导致肠道肿瘤数量和大小增加，并使得肿瘤组织中增殖指标ki67阳性细胞的比例显著增加。（图2）
图2 体内和体外实验验证C. symbiosum促进结直肠肿瘤进展
3.3 C. symbiosum提高结肠干细胞的比例，促进干细胞的形成
为了深入分析C. symbiosum干预对小鼠结肠组织功能表达的影响，该研究进行了单细胞转录组分析，发现C. symbiosum可以提高肿瘤组织中结肠干细胞的比例。在体内及体外实验中，C. symbiosum增强了肿瘤类器官的形成和生长，并显著提高了肿瘤干细胞的频率，促进了肿瘤形成及生长，显示出其在促进肠道肿瘤形成中的潜力。（图3）
图3 C. symbiosum提高结肠干细胞的比例，促进癌细胞干性
3.4 C. symbiosum通过产生支链氨基酸 (BCAAs) 发挥致瘤作用
代谢组学结果表明，C. symbiosum干预的结肠癌小鼠粪便中BCAAs 水平显著升高，并且这些代谢物促进了CRC 细胞的增殖。此外，CRC患者的粪便中BCAA 浓度也显著升高。动物实验发现，低BCAA 饮食抑制了小鼠的肿瘤负荷，但通过C. symbiosum灌胃可部分恢复肿瘤生长，表明C. symbiosum可通过产生BCAAs 发挥促癌作用。（图4）
图4 . 共生梭菌通过产生BCAAs来发挥促致瘤作用
在小鼠体内实验表明，C. symbiosum的干预可激活mTORC1信号通路，BCAAs的缺失使得mTORC1信号下调，C. symbiosum的干预则可逆转这一结果。使用雷帕霉素抑制mTORC1信号后可显著减弱C. symbiosum在ApcMin/+小鼠中的促瘤作用。单细胞测序分析结果表明，C. symbiosum干预的结肠癌小鼠胆固醇稳态通路明显上调。体外实验也表明，C. symbiosum的处理可提高结肠癌细胞中胆固醇水平，而雷帕霉素可减少这一效应，这些结果表明C. symbiosum通过激活mTORC1信号通路促进细胞胆固醇生物合成。（图5）
3.6 C. symbiosum通过产生支链氨基酸诱发胆固醇合成进而促进癌细胞 增殖
进一步研究发现，C. symbiosum处理的结直肠癌小鼠结肠干细胞中胆固醇合成的相关基因上调，包括HMGCR、LSS、SC5D和DHCR7。WB和免疫组化结果也验证了HMGCR水平的上升。敲降HMGCR可显著抑制HCT116的细胞增殖。临床队列也证实了C. symbiosum丰度与CRC患者肿瘤组织中HMGCR mRNA水平呈正相关。使用HMGCR抑制剂辛伐他汀阻断体内外胆固醇合成后，C. symbiosum对肿瘤负荷，细胞增殖和肿瘤球形成的促进作用被消除。这些结果表明C. symbiosum通过产生支链氨基酸，诱发胆固醇合成进而促进癌细胞增殖。（图6）
图6 抑制胆固醇合成可部分消除C. symbiosum促进的细胞增殖
3.7 C. symbiosum促进胆固醇合成，激活SHH信号通路，增强结肠癌细 胞干性
体外实验结果表明，C. symbiosum处理可上调胆固醇合成基因HMGCR的表达，进而激活SHH信号，促进细胞增殖。当在体内使用辛伐他汀或在体外敲除掉HMGCR基因阻断胆固醇合成后，共生梭菌对SHH信号通路的激活作用被消除。表明C. symbiosum通过mTORC1/HMGCR/GLI1/SHH信号轴在结直肠癌中发挥促肿瘤作用。（图7）
图7 C. symbiosum可促进肿瘤细胞胆固醇合成从而激活SHH信号
04 供稿者短评
该研究通过多组学分析揭示了C. symbiosum通过细菌衍生的支链氨基酸对重编程结直肠胆固醇代谢和调节干细胞稳态的代谢贡献。这些发现揭示了潜在的基于代谢的宿主-微生物相互作用和治疗结肠直肠癌的方法。
本研究仍有以下几个方面有待于进一步探究：其一，该研究在对C. symbiosum干预的小鼠结肠肿瘤组织进行单细胞测序分析时，只检测了两个样本进行统计分析，可能无法充分代表整个群体的异质性，也不能进行有效的统计学分析，导致结果的假阳性或假阴性；其次，mTORC1通路自身就可以调控氨基酸代谢，促进肿瘤细胞增殖，在维持肿瘤细胞的干性中发挥作用，但这里作者并没有做足够的工作来排除mTORC1信号独立于胆固醇调控对结肠癌肿瘤细胞增殖的影响。
文献来源
https://doi.org/10.1016/j.chom.2024.07.012
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编辑：杨庆玲 排版：徐沁雯 审核：贺志鹏
