The gut microbiome alteration in colorectal cancer, compared by pre and postoperative change

Abstract

Colorectal cancer (CRC) is one of the leading causes of cancer-associated mortality worldwidely. Emerging evidence has shown that intestinal dysbiosis is closely associated with CRC incidence rates. Certain colon microbes in the typical colon flora may influence the microenvironment, creating a favorable environment for cancer development. However, gut microbiota dysbiosis remains poorly understood. This study aimed to clarify how gut microbiota changes affect the development and progression of CRC. The differences in colon microbiome composition was compared between serial changes in each CRC patient by analyzing preoperative and postoperative stool. Human fecal samples were collected preoperatively and 3−6 months postoperatively from 40 CRC patients who underwent curative surgery at Severance Hospital. Whole-genome shotgun sequencing (WGS) was performed on microbial genomic DNA extracted from fecal samples. Operational taxonomic units (OTUs), alpha diversity, beta diversity, and bacterial communities were evaluated at genus and species levels in human fecal samples before and after surgery. Principal coordinate analysis (PCoA) and Differential abundance analysis (DA) were also performed. Furthemore, KEGG enrichment analysis of differentially expressed genes (DEGs) was performed to evaluate immunoglobulin A (IgA) protease status from RNA sequencing data. vi This study shows microbiome differences between pre- and post-operative status in human fecal samples. Alpha diversity and OTUS were significantly decreased in post-operative samples compared with the levels in pre-operative samples (p<0.05). Between pre-operative and post-operative samples, there was a significant difference in terms of β-diversity (p =0.006) in the genus level. In prticular, greater changes in alpha diversity were observed in strains with fewer antibiotic resistance gene (ARG) than in strains with many ARG. PCoA and DA also showed pre-operative and post-operative microbiome componenet differences. Fusobacterium, Prevotella, and Peptostreptococcus in the genus level were abundant before surgery, whereas Sellimonas intestinalis was highly observed after surgery. Most of the strains with high copy numbers of the IgA protease gene were known pathogen strians such as Escheria, Rothia, Salmonella, Haemophius, and Helicobacter. This study draws an initial point that gut microbiota imbalance is a risk factor of CRC. Fusobacterium, Prevotella seem to be related to CRC, and the degree of inclusion of ARG or IgA protease also appears to affect changes in microbiome composition. Gut microbiota change may provide a new therapeutic avenue for CRC patients. 배경: 대장암은 암 관련 사망의 주요 원인 중 하나이다. 최근에 대장암과 관련된 여러 위험 인자 중 장내 미생물은 대장암 주변 미세환경과 관련되어 주목받고 있다. 특정 장내 미생물이나 전형적으로 장내에 상주하는 미생물의 변화가 대장암 발병에 영향을 미칠 수 있다는 것이다. 그러나 아직 장내 미생물 군의 군집 조성 및 불균형에 대해 알려진 것이 많지는 않다. 이에 본 연구에서 수술 전후 대변을 통해 장내 미생물의 구성 변화를 분석하여, 이러한 변화가 대장암의 발달 및 진행에 어떠한 영향을 미칠 수 있는지 알아보고자 하였다. 방법: 수술 전후 대장암의 장내 미생물의 구성 변화를 확인하기 위해 총 40명의 대장암 환자에 있어서 수술 전과 수술 후 3-6개월 사이에 각각 대변을 수집하였다. 대변 샘플에서 장내 미생물 DNA를 추출하고 메타샷건 시퀀싱을 시행하였고, 미생물의 속 및 종 수준에서 이러한 분류학적 프로파일링을 수행한 후, 이를 토대로 조작분류단위 (Operational taxonomic units, OTUS), 알파 및 베타 다양성 분석, principal coordinate analysis (PCoA) 분석 및 differential abundance 분석으로 생물정보학적 분석을 시행하였다. 또한 immunoglobulin A (IgA) 단백효소분해제 항독소 여부를 확인하는 기능적 분석을 추가하였다. 결과: 속과 종 수준 모두에서 수술 후 알파 다양성과 OTUS가 감소하였으나 (p<0.05), 베타 다양성은 속 수준에서만 그 차이가 확연하였다. 특히, 항생제 내성 유전자가 적은 균주에서 많은 균주에 비해 알파 다양성의 변화가 많이 ５４ 관찰되었다 . PCoA 분석에서도 속과 종 수준 모두에서 수술 전후의 장내 미생물 군집 구성 변화가 관찰되었다. 속 수준에서 Fusobacterium, Prevotella Peptostreptococcus 등이 높게 검출되었고, 종 수준에서는 Sellimonas intestinalis가 수술 후 가장 많이 증가한 균주로 보고되었다. IgA 단백효소분해제 유전자의 copy 숫자가 높은 균주들은 대부분 Escheria나 Rothia, Salmonella, Haemophilus, Helicobacter처럼 병원체 균주로 알려진 것들이었다. 결론: 대장암의 수술 전후 장내 미생물의 구성 및 농도의 차이는 대장암과 연관성이 있다고 추정된다. 특히 Fusobacterium이나 Prevotella 등이 대장암과 관련이 있다고 보이며, 항생제 내성균 유전자나 IgA 단백효소분해제 포함 정도가 또한 군집 구성의 변화에 영향을 미치는 것으로 보인다. 앞으로 장내미생물의 변화에 대한 분석은 대장암 환자의 새로운 치료의 기점으로서 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 보인다.