Охарактеризована клада фузобактерии, связанная с колоректальным раком

Ранее было показано, что Fusobacterium nucleatum (Fn) — представитель микробиома ротовой полости — также обнаруживается в опухолях при колоректальном раке. Высокая бактериальная нагрузка Fn ассоциирована с рецидивами, метастазированием и плохим прогнозом. Более того, на животных моделях было показано, что заражение Fn способствует опухолеобразованию. Однако между различными штаммами Fn существуют значительные различия в генотипе и фенотипе. Из-за этого возникали сложности в воспроизведении полученных результатов. Предположительно, только часть штаммов Fn обладает канцерогенными свойствами. Исследователи из США, Южной Кореи и Италии показали, что с колоректальным раком ассоциирована отдельная клада Fn. Она обладает повышенной вирулентностью и заслуживает особого внимания при разработке таргетных ингибиторов.

Авторы культивировали 130 колоректальных опухолей и выделили 65 штаммов Fusobacterium от 59 пациентов. Они также добавили 81 штамм Fusobacterium, изолированный из ротовой полости контрольной группы (без рака). Используя технологию длинных прочтений, исследователи получили полные геномы, а также метиломы 146 уникальных штаммов Fusobacterium. Из них 92% (135) принадлежали к виду Fn. В дальнейшем изучали представителей только этого вида.

Считается, что Fn попадают в опухоли из ротовой полости и редко сами по себе встречаются в нижних отделах пищеварительного тракта. Авторы предположили, что Fn, ассоциированные с опухолями, обладают какими-то дополнительными генетическими чертами, помогающими им в колонизации новой ниши. Чтобы проверить это предположение, они проанализировали 135 геномов Fn и получили пангеном (все гены вида), который делится на коровый и вспомогательный геномы. Штаммы, ассоциированные с опухолями, имели меньший вспомогательный геном по сравнению со штаммами ротовой полости. Авторы идентифицировали 483 и 241 генный кластер, обогащенный при колоректальном раке и в ротовой области соответственно. Эти кластеры в основном были связаны с метаболизмом.

Исследователи разделили Fn на подвиды: Fna, Fn подвид nucleatum (Fnn), Fn подвид polymorphum (Fnp) и Fn подвид vincentii (Fnv). Только подвид Fna был значимо ассоциирован с колоректальным раком, а Fnn — с ротовой полостью. Fna обладал самым маленьким коровым геномом по сравнению с другими подвидами.

Авторы проверили, преобладали ли в Fna факторы вирулентности, важность которых для колонизации организма-хозяина ранее была показана. Среди факторов вирулентности Fn описаны фузолизин (повреждает ткани хозяина и инактивирует иммунные эффекторы), FplA (связывает липиды хозяина) и адгезины Fap2, Aim1, RadD и CmpA (опосредуют связь бактерии с клетками хозяина и другими бактериями). Роли fplA, aim1, radD и cmpA в колоректальном раке не до конца ясны. Ни один из этих факторов не был связан с Fna больше, чем с другими субвидами.

Далее авторы показали, что существует две различные клады Fna — 1 и 2 (Fna C1 и Fna C2). У них были схожие коровые геномы, но у Fna C2 был больше вспомогательный геном. Вероятно, у этой клады есть дополнительные генетические факторы, полезные для колонизации опухолей. У Fna C2 чуть больше размер хромосомы, больше плазмид и мобильных генетических элементов. Различается и их эпигеном. Например, GTN^m6AC (100% Fna C1, 0% Fna C2), GC^m6AG (100% Fna C1, 0% Fna C2) и G^m6ANTC (0% Fna C1, 63% Fna C2). Обе клады присутствовали в ротовой полости, но только Fna C2 была значимо связана с колоректальным раком.

Факторы вирулентности fap2, cmpA и фузолизин отсутствуют у Fna C1 и значительно ассоциированы с Fna C2. Более того, клетки Fna C2 значительно длиннее и тоньше. Бактериальная морфология может влиять на колонизацию новых ниш, так что это различие следует отметить.

У Fna C2 был выше метаболический потенциал, у нее было больше механизмов поглощения питательных веществ. Авторы особо отметили два оперона Fna C2 — метаболизма этаноламина (eut) и метаболизма 1,2-пропанэдиола (pdu). Эти опероны составляют около 20% уникального для Fna C2 генного содержания. Опероны eut и pdu особо обогащены в образцах стула пациентов с колоректальным раком.

Авторы предыдущих исследователей выдвинули предположения, что фузобактерии перемещаются в колоректальные опухоли через кровоток в ходе временной бактериемии, причина которой может крыться в каждодневных гигиенических процедурах или походе к зубному врачу. Авторы новой работы полагают, что бактерии проходят через пищеварительный тракт и инфильтруют опухоли через просвет кишечника. Но для этого Fna C2 нужно преодолеть экстремально кислые условия желудка. В Fna C2, но не Fna C1, обнаружили систему резистентности к кислоте, зависящую от глутамата.

Бактерии Fna C1, Fna C2 или контрольные бактерии давали мышам, у которых можно вызвать колит, через принудительное кормление. У мышей, которым давали Fna C2, увеличилось число аденом кишечника по сравнению с группой Fna C1 и контрольной. У этих мышей повышались уровни маркеров окислительного стресса и воспаления.

Количество бактерий Fn было повышено в образцах опухолей пациентов с колоректальным раком по сравнению с окружающими нормальными тканями. Причем это были именно представители клады Fna C2. Fna отмечали в 29,2% образцах стула пациентов с колоректальным раком и 4,8% образцах стула здоровых контролей. Таким образом, Fna C2 — подгруппа Fn с высокой вирулентностью, на которую необходимо обратить особое внимание при создании терапии.

Микробиом опухолей реконструировали по данным РНК-секвенирования