初期の腸内微生物異常のマーカーとしてのFusobacterium nucleatumの機会的検出

Opportunistic detection of Fusobacterium nucleatum as a marker for the early gut microbial dysbiosis.

• Ji-Won Huh
• Tae-Young Roh

抄録

背景:

腸内マイクロバイオームの重要な役割は、ヒトの健康や疾患を調節する上で重要視されてきた。口腔内や消化管などに存在するグラム陰性の義務性微生物であるFusobacterium nucleatum (F. nucleatum)は、近年、ヒトの癌に関与する可能性のある癌菌と考えられてきた。しかし、その濃縮が疾患発症初期の微生物の恒常性や安定性に及ぼす影響については、これまで十分に検討されてこなかった。

BACKGROUND: The essential roles of gut microbiome have been emphasized in modulating human health and disease. Fusobacterium nucleatum (F. nucleatum), an obligate Gram-negative microorganism residing in oral cavity, gastrointestinal tract and elsewhere, has been recently considered as a potential oncobacterium associated with human cancers. However, the consequence of its enrichment was not extensively explored in terms of microbial homeostasis and stability at the early stage of disease development.

結果:

我々は、Integrative Human Microbiome Project（iHMP）で作成された縦断的メタゲノムデータを解析した結果、微生物の多様性が低下している炎症性腸疾患（IBD）患者では、F. nucleatumが頻繁に検出されていることを明らかにした。ノンパラメトリック対数線形判別分析（LDA）効果量（LEfSe）アルゴリズムを用いて、糞便メタゲノム中に12種の炎症性腸疾患特異的細菌と14種の非炎症性腸疾患特異的細菌が同定され、長期サーベイランス中にF.ヌクレータム経験者では炎症性腸疾患特異的細菌が過剰に発現していた。さらに、F.ヌクレータム経験者はIBD患者のマイクロバイオームの個人内安定性を著しく低下させ、被験者間で腸内マイクロバイオームが大きく変動していた。その結果、F. nucleatumの検出前後の微生物分布を縦断的に比較したところ、41種が腸内細菌の状態を示す「分類器」として提案された。これらの分類子を用いた多重ロジスティック回帰モデルにより、F.ヌクレータムを経験する確率が高いことは、IBDおよび大腸がん（CRC）のアルファ多様性の低下およびバイオマーカー種の増加と有意に相関していた。最後に、微生物のクラスタリングにより、IBDと非IBDのバイオマーカー種とCRCのシグネチャーマーカーがよく区別され、腸内共生と腸内環境の異常を説明するために利用できることが確認された。

RESULT: Our analysis on longitudinal metagenomic data generated by the Integrative Human Microbiome Project (iHMP) showed that F. nucleatum was frequently found in inflammatory bowel diseases (IBD) subjects with reduced microbial diversity. Using non-parametric logarithmic linear discriminant analysis (LDA) effect size (LEfSe) algorithm, 12 IBD- and 14 non-IBD-specific bacterial species were identified in the fecal metagenome and the IBD-specific ones were over-represented in the F. nucleatum-experienced subjects during long-term surveillance. In addition, F. nucleatum experience severely abrogated intra-personal stability of microbiome in IBD patients and induced highly variable gut microbiome between subjects. From the longitudinal comparison between microbial distributions prior and posterior to F. nucleatum detection, 41 species could be proposed as indicative "classifiers" for dysbiotic gut state. By multiple logistic regression models established on these classifiers, the high probability of experiencing F. nucleatum was significantly correlated with decreased alpha-diversity and increased number of biomarker species for IBD and colorectal cancer (CRC). Finally, microbial clustering confirmed that biomarker species for IBD and non-IBD conditions as well as CRC signature markers were well distinguishable and could be utilized for explaining gut symbiosis and dysbiosis.

結論:

本研究では、F. nucleatumが日和見的に腸内環境下に出現し、F. nucleatumに関連した識別可能な分類器種をIBDと非IBDの両方の条件で微生物の変化を予測することに成功した。本研究で得られた予測モデルと微生物分類器バイオマーカーは、腸内細菌の恒常性・動態の新たな側面と、非侵襲的なバイオマーカースクリーニングのための有用な情報を提供するものであると考えられる。

CONCLUSION: F. nucleatum opportunistically appeared under early dysbiotic condition in gut, and discriminative classifier species associated with F. nucleatum were successfully applied to predict microbial alterations in both IBD and non-IBD conditions. Our prediction model and microbial classifier biomarkers for estimating gut dysbiosis should provide a novel aspect of microbial homeostasis/dynamics and useful information on non-invasive biomarker screening.