直腸黏液全基因組分析：一種用于檢測腺瘤性息肉和結(jié)直腸癌的新型微創(chuàng)診斷工具

《Nature Communications》：Hologenomic analysis of rectal mucus sampling for detection of adenomatous polyps and colorectal cancer

【字體： 大 中 小 】 時(shí)間：2025年12月05日 來源：Nature Communications 15.7

　　

結(jié)直腸癌（CRC）是全球第四大常見癌癥和第三大癌癥相關(guān)死亡原因，且在年輕人群中的發(fā)病率呈上升趨勢。目前，結(jié)直腸癌的診斷金標(biāo)準(zhǔn)是結(jié)腸鏡檢查，但其作為一種侵入性檢查，給醫(yī)療系統(tǒng)帶來了巨大負(fù)擔(dān)，并存在診斷率低的問題。盡管基于血液的液體活檢技術(shù)取得了進(jìn)展，但在檢測癌前病變和早期疾病方面，其性能尚未達(dá)到臨床采納的標(biāo)準(zhǔn)。值得注意的是，結(jié)直腸癌是一種黏膜病變，然而當(dāng)前的診斷方法尚未充分利用黏膜生物學(xué)。傳統(tǒng)的糞便檢測方法對于右側(cè)結(jié)腸病變的檢測靈敏度較低，這凸顯了對新型微創(chuàng)診斷工具的迫切需求。

為了解決這一難題，發(fā)表在《Nature Communications》上的一項(xiàng)研究提出并驗(yàn)證了一種創(chuàng)新的方法——利用直腸黏液樣本進(jìn)行全基因組分析。研究人員使用一種名為OriCol?的微創(chuàng)采樣裝置，在門診無需腸道準(zhǔn)備的情況下收集直腸黏液樣本。通過對樣本進(jìn)行宿主和微生物基因組學(xué)的整合分析，即全基因組方法，旨在揭示與腺瘤性息肉和結(jié)直腸癌發(fā)生發(fā)展相關(guān)的遺傳、表觀遺傳改變以及微生物群落的擾動(dòng)。

本研究共納入了800名通過英國國民醫(yī)療服務(wù)體系（NHS）疑似結(jié)直腸癌（兩周等待）途徑轉(zhuǎn)診的有癥狀患者以及新診斷的結(jié)直腸腺癌患者。研究人員從這些參與者身上采集了直腸黏液樣本，并利用三種主要的實(shí)驗(yàn)室技術(shù)流程對樣本進(jìn)行了分析：糾錯(cuò)新一代測序（ecNGS，用于分析體細(xì)胞突變）、酶促甲基化測序（EM-seq，用于分析DNA甲基化）和全基因組鳥槍法宏基因組測序（用于分析微生物組）。通過對這些多組學(xué)數(shù)據(jù)的整合分析，評估了直腸黏液取樣結(jié)合全基因組分析在檢測結(jié)直腸癌及癌前病變方面的臨床效用。

研究的關(guān)鍵技術(shù)方法包括：1） 使用OriCol?裝置在門診無腸道準(zhǔn)備條件下采集直腸黏液樣本；2） 利用糾錯(cuò)新一代測序（ecNGS，如雙鏈測序）對50個(gè)癌癥相關(guān)基因進(jìn)行高精度體細(xì)胞突變分析；3） 采用靶向酶促甲基測序（EM-seq）對17個(gè)已知CRC標(biāo)志基因的CpG位點(diǎn)進(jìn)行DNA甲基化分析；4） 通過16S rRNA基因測序和全基因組鳥槍法宏基因組測序?qū)ξ⑸�物群落進(jìn)行物種水平分辨率的分析；5） 采用混合整合生物信息學(xué)方法（如主成分分析PCA和特征選擇）將來自體細(xì)胞突變、DNA甲基化和微生物組的生物標(biāo)志物進(jìn)行整合，以提升疾病分類能力。研究隊(duì)列來源于英國NHS機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)診的有癥狀患者。

體細(xì)胞突變分析揭示與疾病部位相關(guān)的信號

通過對直腸黏液樣本進(jìn)行糾錯(cuò)新一代測序（ecNGS），研究人員在結(jié)直腸癌（CRC）病例中鑒定出頻繁發(fā)生突變的基因，包括TP53（79%）、FBXW7（65%）、KRAS（63%）、ERBB2（54%）、APC（49%）、BRAF（33%）、PIK3CA（18%）和SMAD4（15%）。這些突變頻率與來自cBioPortal的1605例CRC腫瘤切除樣本的多研究隊(duì)列數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的相關(guān)性（r2=0.91）。研究的一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)是，最大變異等位基因頻率（mVAF）可作為疾病信號強(qiáng)度的衡量指標(biāo)。特別是APC和TP53基因的mVAF在CRC病例中顯著高于對照組。進(jìn)一步分析顯示，APC和TP53的mVAF呈現(xiàn)出明顯的梯度變化：直腸癌病例中的信號最強(qiáng)，左結(jié)腸癌次之，而右結(jié)腸癌的信號最弱。這表明，越靠近采樣部位（直腸）的病變，在黏液樣本中檢測到的病理來源物質(zhì)信號越強(qiáng)。

DNA甲基化分析揭示與基因調(diào)控元件相關(guān)的超甲基化

通過酶促甲基測序（EM-seq）分析，研究發(fā)現(xiàn)在CRC病例中，相對于對照組，存在905個(gè)超甲基化CpG位點(diǎn)（hyper-mCpGs）和41個(gè)低甲基化CpG位點(diǎn)（hypo-mCpGs）。這些差異甲基化位點(diǎn)并非隨機(jī)分布。超甲基化CpG位點(diǎn)顯著富集在基因的啟動(dòng)子區(qū)、5‘非翻譯區(qū)（5’UTRs）、第一個(gè)外顯子、所有外顯子以及CpG島（CGIs）上。同時(shí)，它們也富集在直腸黏膜參考表觀基因組中標(biāo)記為轉(zhuǎn)錄活性啟動(dòng)子（染色質(zhì)狀態(tài)01，H3K4me3標(biāo)記）和雙價(jià)/ poised啟動(dòng)子（染色質(zhì)狀態(tài)10，H3K4me3和H3K27me3標(biāo)記）的染色質(zhì)區(qū)域。這種富集模式表明，CRC中的DNA超甲基化可能通過影響轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合或組蛋白修飾，導(dǎo)致腫瘤抑制基因沉默。與體細(xì)胞突變分析結(jié)果類似，DNA超甲基化的信號強(qiáng)度也與病變部位相關(guān)，直腸癌的超甲基化水平最高，其次是左結(jié)腸和中結(jié)腸癌，而右結(jié)腸癌的信號較弱。晚期息肉病例的甲基化水平介于CRC和對照組之間，而早期息肉病例的甲基化水平與對照組更為接近。

微生物組分析鑒定與CRC相關(guān)的菌種

通過對直腸黏液樣本進(jìn)行全基因組鳥槍法宏基因組測序，研究人員在物種水平上分析了微生物組的組成。共鑒定出36個(gè)與CRC狀態(tài)顯著相關(guān)的細(xì)菌物種。根據(jù)統(tǒng)計(jì)顯著性和檢驗(yàn)效能，這些物種被分為四個(gè)象限。其中，最具關(guān)聯(lián)性和效能的物種（象限1）包括霍氏亨格特菌（Hungatella hathewayi， 亦稱Clostridium hathewayi）和產(chǎn)丁酸腸菌（Intestinimonas butyriciproducens）。此外，研究還發(fā)現(xiàn)了一些此前已有報(bào)道與CRC相關(guān)的物種，如不解糖卟啉單胞菌（Porphyromonas asaccharolytica）和艱難梭菌（Clostridium scindens），以及小單胞菌（Parvimonas micro）、具核梭桿菌（Fusobacterium nucleatum）和麻疹孿生球菌（Gemella morbillorum）等。值得注意的是，與基于糞便的研究相比，直腸黏液樣本能夠發(fā)現(xiàn)一些新的微生物關(guān)聯(lián)，這可能反映了黏液微生物組與糞便微生物組之間的差異。

全基因組混合整合揭示獨(dú)特的分子譜

為了評估整合多組學(xué)數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，研究人員采用了混合整合方法。他們從每種組學(xué)數(shù)據(jù)（體細(xì)胞突變、DNA甲基化、微生物組）中各選擇了10個(gè)重要的生物標(biāo)志物，然后將這些特征整合后進(jìn)行主成分分析（PCA）和層次聚類。結(jié)果顯示，整合三種組學(xué)數(shù)據(jù)（三組學(xué)）或兩種組學(xué)數(shù)據(jù)（雙組學(xué)，如突變+甲基化）能夠更好地區(qū)分CRC病例、息肉病例和對照組。在主成分分析中，不同的主成分主要由特定的組學(xué)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)：例如，PC1主要由DNA甲基化標(biāo)志物驅(qū)動(dòng)，PC2主要由體細(xì)胞突變標(biāo)志物（如APC, TP53）驅(qū)動(dòng)，而PC3則主要由微生物組物種驅(qū)動(dòng)。這表明每種組學(xué)數(shù)據(jù)都對疾病的區(qū)分做出了獨(dú)特且重要的貢獻(xiàn)。層次聚類分析顯示，CRC病例和晚期息肉病例傾向于聚集在一起，而對照組則形成另一個(gè)簇，部分早期息肉病例的分子譜介于兩者之間。這種整合策略顯著提升了對結(jié)直腸病理，特別是按部位和分期進(jìn)行分層的能力。

本研究證實(shí)了直腸黏液作為一種新型臨床樣本在結(jié)直腸癌診斷中的應(yīng)用價(jià)值。通過全基因組分析方法，成功地從單個(gè)微創(chuàng)樣本中檢測到了與結(jié)直腸癌及腺瘤性息肉相關(guān)的宿主遺傳、表觀遺傳和微生物組生物標(biāo)志物。研究發(fā)現(xiàn)，檢測信號的強(qiáng)度與病變部位密切相關(guān)，距離直腸越近的病變，其信號越強(qiáng)。此外，整合多組學(xué)數(shù)據(jù)能夠提供比任何單一組學(xué)方法更優(yōu)的疾病分層能力。這種基于直腸黏液取樣的全基因組分析策略，為開發(fā)一種可在門診實(shí)施、無需腸道準(zhǔn)備、易于推廣的結(jié)直腸癌診斷工具奠定了基礎(chǔ)。它不僅有望用于結(jié)直腸癌的篩查和診斷，減少不必要的結(jié)腸鏡檢查，未來還可能應(yīng)用于炎癥性腸病等其他腸道疾病的研究。這項(xiàng)研究展示了將多組學(xué)整合分析轉(zhuǎn)化為實(shí)際臨床應(yīng)用的潛力，為改善結(jié)直腸癌的早期檢測和診斷路徑提供了新的方向。