肠道中特异性菌群促进结直肠癌发生发展的研究进展

Research Progress of Specific Intestinal Flora Promoting the Occurrence and Development of Colorectal Cancer

摘要: 结直肠癌(colorectal cancer, CRC)是世界上常见的消化道恶性肿瘤，也是死亡率最高的癌症之一，且发病率呈现逐年上升的趋势。近年来基于测序技术和宏基因组学的大量研究显示，肠道菌群失调与CRC的发生发展具有密切联系。尤其是具核梭杆菌(Fusobacterium nucleatum, F. nucleatum)、产肠毒素脆弱拟杆菌(Enterotoxigenic Bacteroides fragilis, ETBF)、大肠杆菌(Escherichia coli, E. coli)等特异性菌群与CRC的发生紧密相关，因此本文结合国内外最新的研究进展，就这些特异性菌群可能的致癌作用机制作一综述，以期为未来CRC的诊断及治疗提供新的方向。

Abstract: Colorectal cancer (CRC) is a common malignant tumor of the digestive tract in the world, and it is also one of the cancers with the highest mortality rate, and the incidence is increasing year by year. In recent years, a large number of studies based on sequencing technology and metagenomics have shown that intestinal flora imbalance is closely related to the occurrence and development of CRC. In particular, specific bacteria such as Fusobacterium nucleatum, enterotoxigenic Bacteroides fra-gilis and Escherichia coli are closely related to the occurrence of CRC. Therefore, this article reviews the possible carcinogenic mechanisms of these specific bacteria based on the latest research pro-gress at home and abroad, in order to provide new directions for the diagnosis and treatment of CRC in the future.

1. 引言

人体肠道内存在多种微生物群落，其中包括细菌、真菌、病毒等，细菌占据了肠道内核心地位 [1] 。肠道菌群与人体相互作用，构成了复杂的生态系统，它们通过调节免疫系统、炎症反应、介导膳食成分的代谢从而对宿主健康产生重要影响 [2] 。肠道菌群的组成具有一定的稳定性，但也会受到多种因素的影响，如饮食、生活习惯、使用抗生素、感染等。肠道菌群失调则可能引发多种疾病，包括自身免疫性疾病、代谢性疾病、心血管疾病以及多种肿瘤如结直肠癌的发生 [3] 。近年来随着代谢组学技术的飞速发展，肠道菌与结直肠癌之间的关系逐渐被阐明 [4] 。多项研究表明，在CRC患者肠道中，肠道菌群的多样性和丰度发生了显著的变化，致病菌群如F. nucleatum，ETBF，E. coli等的丰度显著增加，而其他有益菌群的数量则减少很多 [5] 。此种菌群的失衡与肠道黏膜的炎症反应、肠道粘膜屏障功能受损等病理过程密切相关，此外，肠道菌群可通过其产生的代谢物影响宿主的免疫吸引，细胞周期及DNA修复等过程从而影响结肠癌的发展 [6] 。本文综述了三种肠道菌：F. nucleatum、ETBF、E. coli促进结直肠癌发展的潜在机制，以期为结直肠癌的预防和治疗提供新的研究策略。

2. F. nucleatum

F. nucleatum是一种常见的口腔厌氧细菌，在牙周疾病的发生发展中扮有重要角色，越来越多研究显示其感染患者肠道粘膜会引起肠道疾病，如假膜性结肠炎、结直肠癌的发生 [7] 。KOSTIC等对CRC微生物组的基因组分析研究显示F. nucleatum在结直肠肿瘤组织中高度富集 [8] 。后续研究人员对其开展了一系列研究，结果表明其可通过塑造肿瘤发生的炎性微环境、抑制机体免疫反应增加结直肠癌患病的风险 [9] 。

2.1. 塑造肿瘤发生的炎性微环境

众所周知，炎症是癌症发生的重要危险因素，来自炎症性肠道疾病(inflammatory bowel disease, IBD)患者的流行病学数据显示患结肠炎的患者CRC的发病率比未患结肠炎的高8~10倍，表明结直肠癌的发生可能与炎症密切相关 [9] 。KOSTIC等首次报告了F. nucleatum具有促进形成肿瘤炎症微环境的能力，F. nucleatum可以激活NF-κB信号通路，上调促炎细胞因子COX-2、TNF、IL-6、IL-8和IL-1β的表达，招募骨髓源性免疫细胞浸润(IMCs)，如骨髓源性抑制细胞(MDSC)、肿瘤相关中性粒细胞(TAN)、肿瘤相关巨噬细胞(TAM)和树突状细胞(DCs)，从而重编程免疫微环境，促进肿瘤进展 [10] 。另外，F. nucleatum通Fap2蛋白(一种凝集素)与肿瘤过表达的Gal-GalNAc结合，介导F. nucleatum在CRC肿瘤中的定植和侵袭，诱导IL-8和CXCL1的分泌，这些促炎因子招募周围的免疫细胞，进一步分泌CXCL2、CCL3和TNF-α等促炎因子，塑造炎性肿瘤微环境 [11] 。此外有研究发现结直肠癌患者中F. nucleatum和miR-135B蛋白的过度表达存在相关性，F. nucleatum可通过调节microRNAS的表达诱导炎症的发生 [9] 。

2.2. 抑制机体免疫反应

在肿瘤微环境中，MDSC是一种具有很强的免疫抑制活性的髓系细胞，主要包括两个亚群，粒细胞MDSC (G-MDSC)和单核细胞MDSC (M-MDSC)，其显著的特性之一是通过表达iNOS-及精氨酸酶-1 (Arginase-1)，抑制CD4+ T细胞介导的免疫反应 [12] 。研究发现与健康对照组相比，经F. nucleatum喂养的小鼠中M-MDSC/G-MDSC的丰度显著提升，表明F. nucleatum可通过下调T细胞介导的适应性免疫抗肿瘤作用，增加金属基质蛋白-9，促进新血管形成保持干细胞特性进而促进恶性肿瘤的发生 [10] 。GUR等研究表明Fn可通过Fap2蛋白与T细胞受体(TIGIT)直接结合，抑制NK细胞及其他肿瘤浸润T细胞(TIL)的抗肿瘤作用，或通过Fap2诱导淋巴细胞凋亡，从而促进肿瘤发生发展 [13] 。F. nucleatum还可通过介导miRNA-18a、miRNA-480和自噬成分的分子网络增加CRC复发和化疗耐药的风险 [14] 。

3. ETBF

脆弱类拟杆菌是寄生在健康肠道中的常见菌属，约占肠道微生物区系的30%，在维持肠道粘膜免疫系统和肠道内环境的稳定方面具有非常重要的作用；生理状态下，细菌与多种宿主细胞相互作用，调节免疫及炎症反应、介导新陈代谢、辅助消化等功能。非产肠毒素型脆弱拟杆菌(Nontoxigenic Bacteroides fragilis, NTBF)因不含脆弱拟杆菌肠毒素而表现出益生菌活性，而ETBF则与炎症性肠病、慢性结肠功能障碍以及结肠癌的癌前病变及癌变密切相关 [15] 。其可通过分泌肠毒素、促进Treg和Th17细胞的积累CRC相关的信号通路，从而促进肿瘤的发生。

3.1. 分泌肠毒素

ETBF产生的肠毒素是一种多功能蛋白，其可上调结肠上皮的静胺氧化酶(SMO)的表达，促进SMO依赖的活性氧(ROS)产生增加，进而导致上皮细胞分泌炎性的产生及DNA损伤 [16] 。除了炎症反应，BFT还可介导E-钙黏蛋白(E-cadherin)裂解，E-cadherin是一种120 kDa跨膜糖蛋白，是黏着带的主要结构蛋白，也被认为是肿瘤抑制因子黏着带蛋白。正常情况下，E-cadherin的表达与细胞凋亡以及同型细胞之间黏附等细胞功能相关。当E-cadherin被降解后，促进了b连环蛋白和依赖T细胞因子的转录激活因子和定位结合，在WNT信号通路中通过促进细胞增殖和上皮间质转化 [17] 。

3.2. 激活Treg和Th17细胞的积累

ETBF定植的特点是调节性T细胞(Tregs)和IL17+ T细胞聚集在远端结肠中。当ETBF定植在肠道某个部位时，会激活STAT3通路，并促进Treg细胞的激活，激活的Treg细胞缺乏产生内源性IL-2的能力从而不断消耗外源性IL-2，低水平的IL-2水平塑造了一个有利于Th17细胞生长的微环境，从而促进了Treg和Th17细胞的增殖。Th17细胞开始产生大量的TNF-α和IL-17等炎症细胞因子，这些细胞因子在组织损伤时促进细胞生长和增殖，进而引发慢性炎症 [18] 。具有致病性的Th17细胞不仅参与组织的早期炎症反应，而且还会促进肿瘤细胞存活和增殖，肿瘤新血管的形成和转移从而导致癌症的发生 [19] 。

3.3. 激活与CRC相关的信号通路

EFBT感染时可通过激活多种信号通路导致CRC的发生。NF-κB是一种协调天然免疫和获得性免疫功能的蛋白质复合物，其在宿主对微生物的感染应答中发挥重要作用。Chung等 [20] 将一株ETBF菌株定植于APC/MIN + 小鼠中结果表明ETBF可刺激细胞内白介素17 (IL-17)的分泌，激活NF-κB途径进而促进趋化因子配体1、趋化因子配体2和趋化因子配体5的表达，这些趋化因子共同促进了CRC的发生。MAPK信号通路在调节细胞炎性改变和细胞增殖凋亡的过程中发挥重要作用 [21] 。在BFT刺激下，肠上皮细胞分泌白介素IL-8和单核细胞趋化蛋白1，能够快速激活MAPK信号通路，激活的MAPK信号通路又通过醛糖还原酶、c-Jun氨基端激酶、IκB激酶和NF-κB通路诱导细胞间黏附分子-1表达，使炎症细胞与内皮细胞的黏附作用增强，导致内皮细胞通透性降低，从而加重炎症细胞的浸润。可见ETBF可通过激活NF-κB、MAPK等信号通路诱导细胞因子的产生，加剧组织炎症反应最终导致CRC的发生。

综上所述，ETBF可通过分泌毒素、激活信号通路等机制影响结直肠癌的发展。但是，仍需进一步的研究来更好地了解ETBF与结直肠癌之间的关系。

4. E. coli

E. coli是人类肠道内最丰富的菌种之一，其依据遗传表型至少可划分为四个亚型，分别是A、B1、B2、D，其中致病性E. coli菌株多属于B2或D系统群，共生菌株多见于A和B1组，而与CRC相关的E. coli多数存在于B2亚型 [22] 。因此近年来许多学者围绕B2亚型E. coli与CRC发生发展的相关性开展了大量的研究。结果表明，B2型E. coli主要通过分泌基因毒素与效应蛋白的方式促进CRC的发生发展。

4.1. 分泌基因毒素

黏附侵袭性E. coli (adherent-invasive Escherichia coli, AIEC)在IBD和CRC患者的肠道中高度定植，当AIEC感染结直肠癌小鼠时，研究发现AIEC可利用I型菌毛与CEACAM6 (癌胚抗原相关的细胞黏附受体)结合，随后通过识别微折叠(microfold cells, M)细胞进入固有层和派尔集合淋巴结，它可在肠上皮的巨噬细胞内逃避自噬，并持续地复制存活，引发炎症反应 [23] 。此外，感染AIEC的小鼠体内会刺激IL-6的产生 [24] ，AIEC可以通过增加IL-6的产生和CEACAM6的表达来调节自身对肠上皮细胞的感染能力，当细菌穿透和侵袭肠上皮时，可通过分泌基因毒素来诱导癌变。

Colibactin是由携带一个54 kb基因簇的E. coli编码合成的一种多聚乙酰一肽的基因毒性物质 [25] 。其在肿瘤发生中的作用主要与DNA损伤有关。多项研究证明colibactin在体内外均会导致DNA双链断裂、阻滞细胞周期以及造成染色体不稳定等不良后果 [26] 。近期，WILSION等 [27] 揭示了colibactin破坏DNA的潜在机制，研究指出，colibactin是一种具有亲电环丙烷环的弹头结构，其弹头烷基化了DNA相对链上的两个腺嘌呤残基，从而形成colibactin-腺嘌呤加合物，当细胞无法准确修复此加合物时，则可能导致基因突变，进而增加罹患CRC的风险。COUNGOUNX等 [28] 的研究进一步指出colibactin还可以通过诱导细胞衰老进而发挥促癌作用，其通过上调miR-20a5P基因的表达从而抑制相扑特异性蛋白水解酶1 (SENP-1)的表达而导致细胞衰老。SENP-1是一种诱导P53去SUMO的关键酶，p53的SUMO化被认为是细胞衰老的关键因子，因此SENP1的下调将导致p53的SUMO化修饰水平升高，从而引起p53-SUMO蛋白在细胞内的累积，最终导致细胞衰老 [29] 。

4.2. 分泌效应蛋白

EPEC是人类最常见的附着和消除细菌，可在急性感染时引起腹泻，其已经在结直肠癌中被检测到，提示其可能与结直肠癌的发生有关 [30] 。错配修复系统(mismatch repair, MMR)是机体DNA修复机制的一种形式，以防止基因突变和维持基因组稳定性。EPEC可下调MMR蛋白，从而阻断DNA的修复过程；MADDOCKS等发现此过程依赖于EPEC分泌的效应蛋白EspF，EspF作用于MMR蛋白的机制是转录后的，依赖于EspF线粒体靶向作用，显著增加了宿主细胞的自发突变频率 [31] 。此外巨噬细胞抑制因子-1 (MIC-1)是转化生长因子-B (TGFb)超家族成员，被报道参与肿瘤细胞的生长、分化和迁移。在体外，EPEC感染人肠癌细胞可诱导MIC-1的表达，这可能有助于上皮性癌细胞的脱落和随后的生存反应。从而促进肿瘤细胞向其他器官扩散 [32] 。

5. 小结

病原菌感染是结直肠癌发生发展的重要风险因素，因此本文综述了F. nucleatum、ETBF、E. coli促进结直肠癌发生的潜在机制，包括促进炎症，分泌基因毒素、调节免疫反应以及激活信号通路等。然而这些细菌的混合感染对肿瘤发展的影响仍有待进一步研究。此外有一些实验表明补充有益菌或可改善小鼠肠道菌群的结构及组成，改善肠道内环境并抑制癌变的发生。因此今后的CRC菌群研究不仅以致病菌为靶点利用代谢组学等技术寻找CRC的潜在生物标志物，从而建立CRC早期无创筛查方法，也应考虑到有益菌的抑癌作用，积极研发具有调控菌群功能的益生菌生物制剂，以期为CRC的预防及治疗提供有益的思路与线索。

参考文献

NOTES

^*通讯作者。