上交房靜遠組等Cell揭示腸道微生物與腫瘤化療耐受的重要分子機理丨BioArt特別推薦

BioArt按：近期的一些利用小鼠模型得出的研究結論認為腸道微生物可能調控了一些免疫反應進而影響了癌症化療的效果。然而，到目前為止相關的研究一直較少，而且僅限於小鼠模型。7月27日，來自上海交通大學醫學院附屬仁濟醫院消化科的房靜遠教授、陳縈晅副教授、洪潔和陳豪燕副研究員以及美國密西根大學鄒偉平教授合作在Cell雜誌發表了題為「Fusobacterium nucleatum Promotes Chemoresistance to Colorectal Cancer by Modulating Autophagy」的研究論文，該研究通過整合基因組學、生物信息學、生物學、動物模型和臨床調查等手段系統的證明了核梭桿菌促進結直腸癌對化療的耐受是通過調節自噬實現的。該研究為臨床上評估結直腸癌治療后的複發風險和進一步加強聯合治療提供了非常廣闊和重要的應用前景。

論文解讀：

結直腸癌（Colorectal cancer ，CRC）是全球範圍內第三大發病率常見惡性腫瘤（乳腺癌排名第一），在所有腫瘤致死率中排第二位【1,2】。目前臨床上針對重度結直腸癌患者主要採用化療的手段進行治療，主要的治療藥物包括抑制DNA合成的5-fluorouracil (5-氟尿嘧啶，5-FU)、Capecitabine（卡培他濱）和Oxaliplatin（奧沙利鉑）等，臨床上通常將這些葯聯合使用以取得最佳效果。然而，上述藥物在治療結直腸癌患者過程中往往面臨著很強的藥物抵抗性導致腫瘤複發率高，致死患者的五年存活率不超過10%【3】，而且遺憾的是對目前比較熱門的免疫治療沒有很明顯的反應【4】。

近年來，圍繞腸道微生物相關的研究近年來已經是一個相當熱門的話題，越來越多的研究表明，腸道微生物的變化與人類健康息息相關。最近有系列研究表明，腸道微生物在腫瘤特別是結直腸癌發生髮展過程中具有重要功能【5-7】。

腸道微生物對腫瘤發生髮展的影響。圖片引自：Garrett, W. S. (2015). Cancer and the microbiota. Science, 348(6230), 80-86.

最近，有研究人員利用小鼠模型證明了腸道微生物可能調控了一些免疫反應進而影響了癌症化療的效果【8,9】（相關研究在2013年的Science雜誌上「背靠背」刊出）。然而，到目前為止相關的研究一直較少，而且僅限於小鼠模型。

此外，近期還有兩項研究表明，在結直腸癌發生過程中，隨著正常組織向腫瘤組織轉化的過程中核梭桿菌（Fusobacterium nucleatum）的丰度有顯著地上升【10,11】（相關研究2012年「背靠背」發表在Genome Research雜誌上），而且最近有研究表明人結直腸癌中核梭桿菌的含量與存活率呈負相關【12】，相關的分子機制也有一些研究。

綜合上述研究背景，研究人員提出了一個重要的科學問題，那就是核梭桿菌與結直腸癌治療中的藥物耐受是否存在一定的關係？圍繞這個問題，研究人員開展了一系列的相關工作，最紅證明了核梭桿菌促進結直腸癌對化療的耐受是通過影響microRNAs進行調節自噬實現的。

在這項研究中，研究人員首先對結直腸癌臨床樣本關聯核梭桿菌的含量進行了大量的相關性研究，結果表明，核梭桿菌與臨床上腫瘤的複發有著很好的相關性。然後研究人員開始了「大膽的假設」，即猜想核梭桿菌可能與結直腸癌治療中的藥物耐性受相關。當然，為了驗證這一猜想，顯然還需要「小心的求證」。求證的思路很簡單，首先利用RNA-Seq手段分析了結直腸癌細胞是否與核梭桿菌共同培養的條件下基因表達的差異，結果表明自噬相關基因的變化最大，於是研究人員就選擇集中在自噬方面進行深入研究。研究結果表明，在結直腸癌細胞系HCT116中，核梭桿菌能夠激活自噬（下圖）。

事實上有了上面清晰的證據，那麼下一步顯然是要證明核梭桿菌是否能夠誘導的藥物耐受並且是通過激活自噬實現的。相關實驗也比較簡單，只需要證明在核梭桿菌和化療藥物單獨存在或者共同存在的情況下檢測細胞凋亡和DNA損傷情況就比較清楚了，顯然實驗結果也充分表明了在有核梭桿菌的情況下，細胞面對化療藥物的毒性有所抵抗，這體現在細胞凋亡和DNA損傷程度都有明顯的降低（下圖）。置於該過程是否是通過激活自噬實現的，則很容易通過利用自噬抑製劑或者感染自噬關鍵蛋白來證明，最後的實驗結果顯然是支持這一點。

接下來自然會問核梭桿菌激活腫瘤細胞自噬的分子機理是什麼。激活細胞自噬的分子機理可以有很多種，也難以尋找，然而前面的實驗已經表明了核梭桿菌能夠影響ULK1和ATG7的mRNA表達量，但是進一步實驗又證明這一過程並不依賴與ULK1和ATG7啟動子區域的轉錄激活。接下來怎麼辦？這裡有一句同行總結出來的經典說法，那就是「If you run out of idea, do Seq/Screen」。

工作模型

既然是ULK1和ATG7的表達量有變化，但是由於啟動子區域的轉錄激活無關，那麼很自然的會考慮到非編碼RNA了。誠然，研究人員接下來做了miRNAs分析（當然有人會問怎麼不做lncRNA和cirRNA分析），最終將激活自噬的目標鎖定在了miR-4802和miR-18a*上。既然鑒定到了miR-4802和miR-18a*，那後面就要去證明它倆是否調控了核梭桿菌誘導的藥物耐受，然後還需要進一步找出是哪些免疫信號通路調控了miR-4802和miR-18a*的產生。因為核梭桿菌作為病原菌顯然要激活一些免疫信號通路，而已知TLR4和MYD88能夠感受核梭桿菌的入侵併被激活，那麼接下來的實驗都順理成章了。故事講到這好像還差還差最後一步，那就是腫瘤動物模型實驗，當然結果都在預料之中了（下圖）。

故事講到這裡，差不多結束了。然而值得注意的是，上述三言兩語描述的而背後都是科研人員付出極大的心血才得到的實驗結果，可以輕鬆的閱讀文獻，但是也要體會研究背後的艱辛。更重要的是這個工作思路清晰，臨床意義重大，可能會對同行研究人員有很大的啟發。另外該文值得關注的一點是，這篇Cell共有五個共同通訊作者，而且其中一位是知名的華人生物學家、密西根大學醫學院鄒偉平教授，這表明了合作在一流學術研究中的重要性。據悉，房靜遠教授團隊與鄒偉平教授團隊有著長期良好的合作關係，此前也共同發表了一系列重要的論文，看來這種合作模式可以是非常有效並且值得借鑒的。

參考文獻：

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2、Dahan, L., Sadok, A., Formento, J. L., Seitz, J. F., & Kovacic, H. (2009). Modulation of cellular redox state underlies antagonism between oxaliplatin and cetuximab in human colorectal cancer cell lines. British journal of pharmacology, 158(2), 610-620.

3、Cartwright, T. H. (2012). Treatment decisions after diagnosis of metastatic colorectal cancer. Clinical colorectal cancer, 11(3), 155-166.

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7、Cartwright, T. H. (2012). Treatment decisions after diagnosis of metastatic colorectal cancer. Clinical colorectal cancer, 11(3), 155-166.

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9、Iida, N., Dzutsev, A., Stewart, C. A., Smith, L., Bouladoux, N., Weingarten, R. A., ... & Dai, R. M. (2013). Commensal bacteria control cancer response to therapy by modulating the tumor microenvironment. Science, 342(6161), 967-970.

10、Castellarin, M., Warren, R. L., Freeman, J. D., Dreolini, L., Krzywinski, M., Strauss, J., ... & Holt, R. A. (2012). Fusobacterium nucleatum infection is prevalent in human colorectal carcinoma. Genome research, 22(2), 299-306.

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12、Mima, K., Nishihara, R., Qian, Z. R., Cao, Y., Sukawa, Y., Nowak, J. A., ... & Kostic, A. D. (2016). Fusobacterium nucleatum in colorectal carcinoma tissue and patient prognosis. Gut, 65(12), 1973-1980.

房靜遠，主任醫師，教授，現任上海交通大學醫學院附屬仁濟醫院消化科主任，長江學者和國家「傑青」，上海市消化疾病研究所所長，上海市消化內科臨床醫學中心負責人、上海市消化內科臨床質量控制中心主任、衛生部內科消化重點實驗室主任。專業擅長萎縮性胃炎等消化道癌前疾病的診治和預防。

目前主要學術兼職：國務院學位委員會學科評議組成員、中華醫學會消化系病分會委員兼秘書和腫瘤協作組組長、上海市消化學會副主任委員、醫師協會消化醫師分會常委、《胃腸病學》常務副主編、《上海交通大學醫學院學報》副主編、《中華醫學雜誌》、《中華消化雜誌》、《中華消化內鏡雜誌》和《中華胰腺病雜誌》編委及《中華內科雜誌》通訊編委。上海交通大學學位委員會委員和學術委員會委員、上海交通大學醫學院教授委員會委員和學術委員會委員、上海交通大學醫學院211工程重點學科首席科學家。

主要榮譽稱號：教育部「長江學者」特聘教授、國家傑出青年基金獲得者、全國優秀博士論文獎獲得者、衛生部有突出貢獻的中青年專家、教育部和人事部「新世紀百千萬人才國家級人選入選者」、上海市「科技精英」、上海市優秀學科帶頭人、上海市「領軍人才」、上海市曙光學者、上海市曙光後計划入選者等。

科研工作：先後作為第一負責人承擔了包括973課題、863課題、國家自然科學基金重點項目、國家自然科學基金傑青項目和面上項目等超過10項、還承擔了國家「十一五」衛生公益行業基金項目1項，作為共同負責人承擔一項國家「十一五」新葯研發重大項目。發表論文近200篇，其中SCI論文全文（不包括會議摘要）近50篇篇（第一或通訊作者發表超過40篇），包括Lancet Oncology、Cancer Discovery、JV、JI、Am J Epid、JBC、Neoplasia 、JCMM 、Lab Invest、ASO和Cancer Sci等。隨著研究成果的積累，以第一完成人獲2008年國家科技進步二等獎、2007年中華醫學科技一等獎、2005年上海市科技進步一等獎。

鄒偉平現任美國密歇根大學終身教授、DeNancrede冠名教授、腫瘤免疫和炎症中心主任、轉化醫學主任、免疫學研究平台主任，是在生命科學領域取得傑出成就的華人科學家，其專業領域涉及腫瘤、免疫、炎症及醫學轉化，在腫瘤免疫領域創立「腫瘤免疫抑制網路學說」，在腫瘤和機體免疫的相互作用研究及其應用上取得了一系列重要成果，為人類的健康以及生命醫學的發展做出了卓越的、具有重大影響的成績。已發表學術論文近百篇（其中Nature和Science系列期刊論文10篇）；已發表論文單篇最高引用近3000次，全部論文總引用達1萬餘次，屬國際上論文被引用次數最多的生命科學家之一；先後獲美國聯邦醫學研究傑出青年教授獎、杜蘭大學校長獎、杜蘭大學研究成果獎、Mauverna獎、Charles B. Henriques獎等多項獎勵。其研究成果被Nature系列雜誌譽為「里程碑」式的突破，並被美國「科學家」雜誌、Nature醫學新聞、Science新聞、柳葉刀及眾多權威媒體專題報道。

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