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菠菜:结肠癌的克星?(多组学揭示菠菜抗癌机制)

科普生物 bionav 来源:科研腔 8个月前 (10-25) 1782次浏览 已收录 0个评论 扫描二维码

菠菜

结肠癌的克星!

 文献摘要 

 

  1、 菠菜(SPI)在腺瘤性息肉病大肠杆菌 (Apc) 突变大鼠模型中具有显着的抗癌功效;

 

  2、 SPI 喂养大鼠显着重塑肠道微生物组以及宿主转录组学和 RNA-miRNA 网络的变化;

  3、宏基因组预测亚油酸和丁酸代谢、三羧酸循环和癌症通路的变化,得到了转录组学和代谢组学分析的支持。

一提到菠菜,很多人脑海里浮现的大概就是《大力水手》的画面吧。《大力水手》几乎代表了很多人的童年,所有读者记忆中最经典的一幕应该就是大力水手一拳打在罐头上,把菠菜打出来吃掉,而他一旦开始吃菠菜,就马上充满力量,打败坏人。那时不知道掀起多少家庭狂吃菠菜的热潮! 那么,菠菜真的有这么神奇吗?如果多吃菠菜不能像大力水手一样充满力量,又有什么其他的好处呢?

 

菠菜 (SPI) 是一种深绿叶蔬菜,具有高叶绿素含量和其他多种生物活性。菠菜有“营养模范生”之称,它富含类胡萝卜素、维生素 C、维生素 K、矿物质(钙质、铁质等)、辅酶 Q10 等多种营养素。有研究表明,菠菜中含有多种抗氧化物,有助于预防自由基损伤造成的癌症。菠菜中含有大量的植物粗钎维,可以促进肠道蠕动的作用,减少致癌物质在肠道中的停留时间,而且经常吃菠菜还可以降低一些熟肉中致癌物对人体细胞的破坏作用。

 

结直肠癌(CRC)是一种侵袭性的原发性肠恶性肿瘤,是常见的发生于结肠部位的消化道恶性肿瘤,好发于直肠与乙状结肠交界处。在全球所有类型的癌症中,其发病率均排在第三位,死亡率第二高。在中国,预计每年在结肠和直肠中发现 38 万例新癌症病例。据报道,肠道菌群的改变与结肠癌(CRC)的发生有关,一些肠道细菌通过改变肠道微环境以及激活致癌信号通路来增强肠道癌变。流行病学研究表明,CRC 与绿色蔬菜和纤维摄入量低有关,而深色叶类蔬菜的摄入量与风险降低有关。然而,对于这些饮食摄入如何影响肠道微生物群、宿主转录组学和结肠癌发病机制之间的相互作用知之甚少。

 

近日,有新的研究发表在《Gut Microbes》期刊上,论文名为“Dietary spinach reshapes the gut microbiome in an Apc-mutant genetic background: mechanistic insights from integrated multi-omics”(膳食菠菜在 Apc 突变基因背景下重塑肠道微生物群:来自综合多组学的机制见解),探讨了菠菜、肠道健康、基因和患结肠癌之间的关系。

菠菜:结肠癌的克星?(多组学揭示菠菜抗癌机制)

(来源文献)

研究人员采用腺瘤性息肉病大肠杆菌 (Apc) 突变大鼠模型来检查饮食 SPI 的抗癌结果。大鼠结肠息肉 (Pirc) 模型模拟了人类家族性腺瘤性息肉病患者的疾病进展,涉及结肠和小肠中的自发性肿瘤发展。在将冻干的菠菜喂给患有家族性腺瘤性息肉病的大鼠 26 周后,研究人员发现菠菜可抑制 APC 突变大鼠模型中的肿瘤发展,并在结肠和小肠中观察到了显著的抗肿瘤活性,并且在 Apc 突变遗传背景中,β-连环蛋白在腺瘤息肉中仍然高度过表达。不仅如此,研究人员发现大鼠达到 30 周龄后,其结肠和小肠的肿瘤多样性显着降低,肿瘤的体积也显著缩小。研究的结果表明,菠菜可能有助于这些患者的癌症预防,因为它可以推迟切除结肠和延长药物治疗的需要。

菠菜:结肠癌的克星?(多组学揭示菠菜抗癌机制)

(来源文献)

多组学统计法(Multi-omics)是一种探究生物系统中多种物质之间相互作用的方法,包括基因组学、表观基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、微生物组学等,这些物质共同影响生命系统的表型、性状等。因此为了确定菠菜的抗肿瘤机制,研究人员对 Pirc 和 WT 大鼠的肠道微生物群落进行了 16S rRNA 测序,OTU 和香农指数显示,α-多样性不受宿主基因型的影响,但在 Pirc 和 WT 大鼠中通过 SPI 处理显着增加。两种基因型的肠道微生物组分别聚集在 Ctrl 和 SPI 组之间的加权 UniFrac PCoA 中,未加权的 UniFrac PCoA 发生了显着变化与 WT 大鼠相比,Pirc 模型中拟杆菌和变形菌的丰度更高,而厚壁菌、放线菌和 Tenericutes 的丰度较低。SPI 摄入后减少了变形菌和细小菌,并增加了疣微菌。在科和属水平增加了毛螺菌科的相对丰度并减少了瘤胃球菌科、拟杆菌科和脱硫弧菌科,降低了拟杆菌和脱硫弧菌的相对丰度。这些结果表明摄入 SPI 重塑了微生物组的组成,逆转了 Apc 突变背景和宿主遗传易感性的影响。

菠菜:结肠癌的克星?(多组学揭示菠菜抗癌机制)

(来源文献)

其后,研究人员分析了从大鼠体内收集的数百个样本,将以上得到的微生物组数据信息进行宏基因组预测,宏基因组预测涉及亚油酸和丁酸代谢、三羧酸循环和癌症通路。亚油酸和丁酸代谢显着增加,而 TCA 循环和癌症通路在 Pirc 和 WT 大鼠中因 SPI 处理而降低。

菠菜:结肠癌的克星?(多组学揭示菠菜抗癌机制)

(来源文献)

随后,研究菠菜是否影响与发病机制相关的关键基因。RNA 测序 (RNA-seq) 绘制了 Pirc 和 WT 大鼠结肠组织中的 17378 个转录物,主成分分析 (PCA) 将肿瘤组织与正常组织完全分离。Pirc 与 WT 大鼠和摄入 SPI 相比,肿瘤发展对整体转录组水平的影响更显着。在 Pirc 和 WT 外观正常的组织之间鉴定出 261 个差异表达基因(DEG),其中几乎一半(138 个基因)与 2180 个与肿瘤发展相关的 DEG 重叠。与 Pirc 和 WT 外观正常的组织相比,所有 DEG 的热图显示出明显的肿瘤特征。而摄入 SPI 后,改变了 WT 大鼠 101 DEGs 和 Pirc 正常结肠 80 DEGs 中的 4 个共同基因。GSEA 表明,在喂食 SPI 的 Pirc 和 WT 大鼠中,细胞周期相关通路的显着下调和免疫相关通路的上调,基因型之间共有三种通路。说明 SPI 处理将引起 Pirc 大鼠转录组的变化。

为了验证微生物组和转录组研究的相关性,对 30 周时从 Pirc 大鼠获得的腺瘤性结肠息肉和正常结肠组织进行代谢组学研究。正如微生物组数据所预测的那样,在大鼠体内鉴定的 51 种代谢物中,有几种与脂肪酸代谢、TCA 循环和癌症途径有关。值得注意的是,SPI 治疗后,Pirc 结肠肿瘤中这些代谢物的较低水平在腺瘤性息肉中趋于正常化,与外观结肠正常的 Pirc±SPI 中检测到的水平相当。2-乙酰-2-羟基丁酸也观察到类似的趋势,SPI 治疗后结肠肿瘤中的 2-乙酰-2-羟基丁酸显著增加。另一方面,在结肠肿瘤中检测到较高水平的 L-谷氨酸和 N-乙酰神经氨酸,SPI 治疗减少了腺瘤性息肉中的这些代谢物,与正常结肠外观的 Pirc±SPI 中观察到的水平相当。

菠菜:结肠癌的克星?(多组学揭示菠菜抗癌机制)

(来源文献)

总之,该研究证明膳食 SPI 在 Apc 突变体 Pirc 模型中具有显着的抗癌功效在消除了作为主要机制目标的失调的 β-连环蛋白后,随后的工作确定了 SPI 喂养大鼠显着重塑肠道微生物组,以及宿主转录组学和 RNA-miRNA 网络的变化。代谢组学分析证实了亚油酸和丁酸代谢、TCA 循环和癌症通路的预测变化。虽然丁酸代谢可能与肠道微生物组的α多样性增加有关,但在饮食 SPI 治疗的大鼠的结肠肿瘤中检测到多种具有已知抗炎和促凋亡机制的 SPI 衍生的亚油酸中间体。未来的实验将寻求证实此处报告的工作中的其他机制线索,包括膳食纤维方面和综合多组学确定的其他目标。

参考文献:

[1].  Chen YS, Li J, Menon R, et. Dietary spinach reshapes the gut microbiome in an Apc-mutant genetic background: mechanistic insights from integrated multi-omics. Gut Microbes. 2021 Jan-Dec;13(1):1972756.

[2]. Tzahor E, Poss KD. Cardiac regeneration strategies: Staying young at heart. Science. 2017 Jun 9;356(6342):1035-1039. doi: 10.1126/science.aam5894. 

E.N.D

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