Pangenome analysis reveals both niche-specific "specialists" and microbial "side hustlers" in colorectal cancer microbiomes.

چکیده اصلی

The gut microbiome is reproducibly implicated in colorectal cancer (CRC), yet the inter-study and interpersonal variability of certain species associations suggests that CRC microbiomes may be defined by convergent functional states achievable by phylogenetically diverse organisms. Distinguishing lineage-conserved "specialists" from taxonomically diverse "side hustlers"-organisms whose shared functional traits are dispersed across phylogenetically distant lineages-offers complementary translational insights: "specialists" are primary candidates for lineage-targeted biomarkers and inhibitors, while the shared functional architecture of "side hustlers" may reveal high-priority potential therapeutic targets robust to inter-individual variability. Here, we quantify phylogenetic coherence (monophyly) of 3,711 co-associated gene bins (CAGs) across 13 bacterial species and evaluate CRC associations across three independent cohorts, identifying hundreds of CAGs associated with CRC or health across a spectrum of monophyly scores, indicating that both states harbor a mixture of "specialist" and "side hustler" gene content. Strikingly, in Faecalibacterium prausnitzii-a species with a complex relationship to CRC-health-associated CAGs exhibited significantly higher monophyly scores than CRC-associated CAGs, consistent with health-linked traits being lineage-conserved while CRC-linked traits behave as polyphyletically distributed, potentially mobile "side hustlers." Across multiple CRC-associated species, we observe functional convergence in gene bins encoding Type IV secretion systems (T4SS), TonB-dependent receptors, and RagB/SusD nutrient uptake proteins. Fusobacterium animalis strains encode T4SS elements across bins with variable phylogenetic origins, representing simultaneous "specialist" and "side hustler" strategies within a single species. Pairwise interaction analysis further reveals synergistic interspecies associations, including co-occurrence of F. animalis and Clostridium scindens gene bins associated with a CRC probability of > 90%, suggesting that microbial "side hustlers" may amplify oncogenic risk through ecological interactions invisible to species-level analysis. These findings provide proof-of-principle that an ecological and evolutionary lens on the CRC microbiome can identify shared functional vulnerabilities and lineage-specific targets for microbiome-based cancer prevention.

ترجمه فارسی چکیده

میکروبیوم روده به طور قابل تکرار در سرطان روده بزرگ (CRC) دخیل است، اما متغیرهای بین مطالعات و بین افراد در برخی روابط گونه‌ها نشان می‌دهد که میکروبیوم‌های CRC ممکن است با حالت‌های عملکردی همگرا تعریف شوند که توسط ارگانیسم‌های متنوع فیلوژنتیک قابل دستیابی باشند. تفکیک «تخصص‌گران» حفظ‌شده در خط خونی از «کارکنان جانبی» طبقه‌بندی متنوع—ارگانیسم‌هایی که ویژگی‌های عملکردی مشترک آن‌ها در خطوط فیلوژنتیک دور از هم پخش شده‌اند—نظرات ترجمه‌ای مکملی ارائه می‌دهد. «تخصص‌گران» کاندیداهای اصلی نشانگرهای بیومارکر و مهارکننده‌های هدف‌دار خط خونی هستند، در حالی که معماری عملکردی مشترک «کارکنان جانبی» ممکن است اهداف بالقوه درمانی با اولویت بالا را که در برابر متغیرهای بین فردی مقاوم هستند، آشکار کند. در اینجا، ما همبستگی فیلوژنتیک (مونوفیلی) ۳،۷۱۱ جعبه ژن هم‌همراه (CAG) را در ۱۳ گونه باکتریایی در سه کوهورت مستقل ارزیابی می‌کنیم و همبستگی‌های CRC را شناسایی می‌کنیم. یافته‌ها نشان می‌دهد که هر دو حالت حاوی ترکیبی از محتوای ژنی «تخصص‌گر» و «کارکن جانبی» هستند. در Faecalibacterium prausnitzii، جعبه‌های ژنی مرتبط با سلامت نمرات بالاتری از همبستگی فیلوژنتیک داشتند، در حالی که ویژگی‌های مرتبط با CRC رفتار توزیع چندخطی دارند. در چندین گونه مرتبط با CRC، همگرایی عملکردی در جعبه‌های ژن کدکننده سیستم‌های تراوش نوع چهارم (T4SS)، گیرنده‌های وابسته به TonB و پروتئین‌های جذب مواد مغذی RagB/SusD مشاهده شد. در F. animalis، عناصر T4SS در جعبه‌های ژنی با منشأ فیلوژنتیک متغیر کدگذاری می‌شوند که استراتژی‌های همزمان «تخصص‌گر» و «کارکن جانبی» را در یک گونه نشان می‌دهند. تحلیل تعامل دوتایی نشان‌دهنده هم‌افزایی در روابط بین گونه‌ها است.

متن کامل اصلی