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Fusobacterium mortiferum及其代谢产物5-AVA通过DKK2调控Wnt/β-catenin信号通路，可能是肥胖个体中结直肠癌的潜在促进因子
标题：Fusobacterium mortiferum and its metabolite 5-aminovaleric acid promote the development of colorectal cancer in obese individuals through Wnt/β-catenin pathway by DKK2 / Fusobacterium mortiferum及其代谢产物 5-氨基戊酸通过影响DKK2，激活Wnt/β-catenin信号通路，促进肥胖者结直肠癌的发展
期刊：Gut Microbes
Online：2025.05.08
IF：12.2
本论文的研究背景聚焦于与肥胖之间的关联，以及肠道微生物群在其中的作用。结直肠癌（Colorectal Cancer, CRC）是全球最常见的恶性肿瘤之一，其发病率和死亡率均较高。近年来，越来越多的研究表明肥胖是结直肠癌的一个重要风险因素。肥胖与慢性低度炎症状态有关，这种炎症状态可能会促进癌症的发生。此外，肠道微生物群与肥胖和结直肠癌之间存在着密切的联系。肠道微生物群通过释放各种代谢产物、蛋白质和大分子物质，与宿主的结肠上皮细胞和免疫细胞相互作用，从而调节结直肠癌的发生和发展。尽管如此，肠道微生物群如何具体影响肥胖和结直肠癌的机制尚不清楚。本研究旨在探索肠道细菌Fusobacterium mortiferum及其代谢产物5-氨基戊酸（5-AVA）在肥胖个体中结直肠癌发展中的作用，揭示其潜在的致癌机制，为未来通过调节肠道微生物群预防和治疗结直肠癌提供新的方向。
1. 微生物与代谢产物的关联性发现
通过非靶向代谢组学分析，发现5-AVA是Fusobacterium mortiferum的关键代谢产物，且在肥胖腺瘤患者中显著富集。这一发现不仅丰富了我们对肠道微生物群与CRC关系的认识，还为后续的机制研究提供了明确的方向。
2. 机制探索与信号通路的阐明
研究深入探讨了Fusobacterium mortiferum和5-AVA促进CRC发生的分子机制。实验结果表明，这两种因素通过抑制DKK2的表达，激活Wnt/β-catenin信号通路，从而促进肿瘤细胞的增殖和肿瘤的发生。此外，研究还揭示了5-AVA可能通过抑制KDM6B介导的DKK2去甲基化来影响信号通路的激活，这一发现为理解微生物代谢产物如何调控宿主细胞信号通路提供了新的视角。
3. 临床意义与潜在应用
本研究不仅在基础研究层面取得了突破，还具有重要的临床意义。通过分析肥胖个体的肠道微生物群和代谢产物，研究为CRC的早期诊断和预防提供了潜在的生物标志物。此外，研究结果还提示，通过调节肠道微生物群或靶向特定代谢产物，可能为CRC的治疗提供新的策略，尤其是在肥胖人群中。这些发现为未来开发针对CRC的个性化治疗方案奠定了基础。
图1. 代谢组分析和微生物组差异分析结果。
(a) 初步探索微生物差异的LEfSe分析系统发育树图。Fusobacterium mortiferum在肥胖人群中显著富集（肥胖与非肥胖对比，LDA>2）。(b) LEfSe分析的LDA图（肥胖与非肥胖对比，LDA>2）。(c) 在后续研究中，我们将肥胖人群进一步分为肥胖腺瘤组和肥胖健康组。LEfSe分析系统发育树图显示Fusobacterium mortiferum在肥胖腺瘤患者中显著富集（肥胖腺瘤与肥胖健康对比，LDA>2）。(d) LEfSe分析的LDA图（肥胖腺瘤与肥胖健康对比，LDA>2）。(e) 比较各组Fusobacterium mortiferum相对丰度的箱线图（肥胖与非肥胖对比，p=0.0159）。(f) 比较各组Fusobacterium mortiferum相对丰度的箱线图（肥胖腺瘤与肥胖健康对比，p=0.0092）。(g) 在本研究的肥胖人群中，条形图显示样本的比例分布，重点关注相对丰度最高的20种微生物。(h) 平均热图分析显示FN和FP组的分布和分组情况。
图2. Fusobacterium mortiferum的非靶向代谢物分析结果。
(a) 两组中前20种代谢物按百分比含量的堆叠条形图。(b) 两组中涉及生物过程的代谢物百分比的堆叠条形图。(c) 代谢物热图聚类结果表明5-氨基戊酸在Fm.组中显著富集。(d) PCA图，表明Fusobacterium mortiferum代谢组与对照组的组成结构存在显著差异。(e) 随机森林模型中最重要的15种代谢物，表明5-氨基戊酸在Fusobacterium mortiferum代谢组中显著富集。
图3. Fusobacterium mortiferum和5-AVA在AOM小鼠中促进肠道肿瘤形成。
(a) 动物实验中微生物灌胃的实验设计和时间安排。小鼠每天接受Fusobacterium mortiferum或无毒E. coli的灌胃，剂量为每只小鼠1×10⁸ CFU，或BHI培养基，持续20周。(b) 从接受Fusobacterium mortiferum（Fm.）和非毒性大肠杆菌（E.coli）灌胃的小鼠中获取的直肠和肿瘤标本，以及小鼠直肠的肿瘤标记。(c) 与对照组（p=0.0099）和E.coli组（p=0.0343）相比，Fm.组小鼠的结直肠肿瘤数量更高。(d) 与对照组（p<0.0001）和E.coli组（p<0.0001）相比，Fm.组小鼠的肿瘤直径更大。(e) 从接受5-AVA或PBS灌胃的小鼠中获取的直肠和肿瘤标本，小鼠接受5-AVA或PBS灌胃，剂量为每只小鼠0.2ml，持续8周。(f) 与对照组（p=0.0013）相比，5-AVA组小鼠的结直肠肿瘤数量更高。(g) 与对照组（p=0.005）相比，5-AVA组小鼠的肿瘤直径更大。(h) 代表性的结肠ki-67图像（比例尺=200μm），来自接受Fusobacterium mortiferum、E.coli和BHI处理的SPF小鼠。(i) ki-67阳性细胞计数的统计分析结果（p<0.0001）。(j) 灌胃开始后每周各组小鼠的体重值（p<0.0001）。
图4. Fusobacterium mortiferum和5-AVA促进结直肠癌细胞的增殖。
(a) 与Fusobacterium mortiferum共培养的结直肠癌细胞（HCT116和DLD1）促进细胞增殖（p<0.0001）。(b) 与5-AVA共培养的结直肠癌细胞（HCT116和DLD1）促进细胞增殖（p<0.0001）。(c) 与5-AVA共培养的HCT116细胞促进克隆形成。(d) HCT116细胞克隆形成实验计数表明5-AVA组的克隆形成数量高于对照组（p<0.001）。(e) 与5-AVA共培养的DLD1细胞促进克隆形成。(f) DLD1细胞克隆形成实验计数表明5-AVA组的克隆形成数量高于对照组（p<0.001）。(g) DLD1和HCT116细胞类型在Transwell中共培养，处理5-AVA或PBS，以及诱导5-AVA迁移的CRC细胞的代表性图像。共培养的细胞在Transwell室的上下层之间没有直接接触。比例尺，100μm。(h) HCT116细胞的划痕迁移实验代表性图像，分别在0、12和24小时拍摄。
图5. Fusobacterium mortiferum和5-AVA通过Wnt/β-catenin信号通路促进肿瘤发生。
(a) GSEA分析显示，通过灌胃Fusobacterium mortiferum处理的小鼠结直肠组织中Wnt/β-catenin信号通路显著富集（p=0.0012）。(b) 通过灌胃Fm.、E.Coli或BHI处理的小鼠结直肠组织的Western blot分析。(c) (b)的定量数据。(d) 通过灌胃Fm.、E.Coli或PBS处理的结直肠细胞的Western blot分析。(e) (d)的定量数据。(f) 细胞实验的RT-qPCR分析表明5-AVA组DKK2的表达水平降低，而β-catenin、C-myc和Cyclin D1的表达水平增加。(g) 通过5-AVA、Fm.或PBS处理的结直肠细胞的Western blot分析。(h) (g)的定量数据。
图6. 5-AVA可能通过抑制KDM6B增加DKK2的甲基化水平。
(a) DKK2 CpG甲基化和H3K27me3甲基化图的分析。(b) 使用MOE软件对接5-AVA与KDM6B去甲基化靶点进行对接，显示5-AVA与其靶点通过氨基酸侧链和受体骨架相互作用的二维平面图。(c) 5-AVA与KDM6B去甲基化靶点对接的三维模拟图。(d) 细胞实验的RNA-seq分析表明，在5-AVA/OE-KDM6B组中DKK2的表达水平增加，而β-catenin、C-myc的表达水平降低。(e) 通过5-AVA、5-AVA/OE-KDM6B或PBS处理的结直肠HCT116细胞的Western blot分析。(f) (e)的定量数据。
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