综述 | Microbiome：炎症性肠病患者与健康人群的表观遗传-代谢-微生物轴
编译：张晨，编辑：Tracy、江舜尧。
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环境因素常常在遗传易感性的背景下驱动着复杂免疫系统疾病（如炎症性肠病等）的发生，而参与免疫与神经元调节的肠道共生细菌、真菌或病毒的失调是炎症性肠病发生的其中一个重要因素。同时，表观遗传基因组作为微生物和特定表达基因之间的接口，渐渐成为炎症性肠病的第三大影响因素。本文中，作者回顾和分析了宿主表观遗传基因组在哺乳动物及其共生微生物之间所起到的重要作用，也分析了炎症性肠病患者以及肠道炎症小鼠模型中染色质调控区域以及相关表观遗传蛋白酶突变体的破坏，并探讨了此项发现的意义。此外，文章阐述了宿主或细菌的代谢产物与表观遗传蛋白酶活性之间的复杂联系，以及这些相互作用如何影响着微生物-宿主的关系。
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内容
1. 炎症性肠病等免疫相关疾病的表观遗传学
DNA与组蛋白在细胞核中相互作用形成染色质，通过修饰DNA或组蛋白和蛋白质复合物，可以调节染色质结构，而染色质的改变使相同序列的DNA能够编码特异的细胞类型及功能。目前我们已鉴定了100多种独特的染色质修饰，包括甲基化、乙酰化、磷酸化等常见修饰，以及研究较少的修饰方法（如丙酮化、赖氨酸丁酰化、赖氨酸巴豆酰化和赖氨酸琥珀酰化），而其中，这些修饰是由超过400种染色质修饰酶来调节的。表观遗传"编码者"催化翻译组蛋白或DNA的修饰（如DNA和组蛋白甲基转移酶，组蛋白乙酰转移酶），而"擦除器"去除这些修饰（如脱脂酶，组蛋白去乙酰酶（HDACs），TET蛋白）。最后，表观遗传修饰由"阅读器"翻译，其通过不同的蛋白质区域（如溴结构域、PHD, YEATS结构域）与特定的修饰组蛋白对接，并招募正确的转录机器来促进或组织转录。全基因组关联分析（GWAS）已经确定了200多个IBD的遗传易感位点——如克罗恩病（CD）和溃疡性结肠炎（UC），这些基因突变导致了免疫细胞对肠道微生物保护性功能的丧失，因此宿主-微生物关系对维持肠道稳态很重要。然而，大多数易感基因突变在不同的炎症性肠病患者个体中差异较大，同卵双胞胎患者的基因突变一致性较低，且均存在于非编码区域，此外，IBD等复杂免疫疾病的发病率迅速上升表明，仍存在遗传之外的其他致病因素。最近关于同卵双胞胎的研究表明，在65岁之前，近70%的免疫表观基因是环境衍生的，从而证明了非遗传环境影响对免疫系统和疾病易感性的影响。此外，表观遗传酶和染色质调控过程的失衡可导致很多疾病，但目前的了解主要局限于肿瘤方面。这使得调节表观基因组的蛋白质成为当今药物发现中最有前途的靶点之一；然而，我们对导致IBD等免疫系统疾病的表观遗传酶或染色质的改变仍不清楚。目前在IBD患者中我们可以明确观察到染色质的改变，最近的全基因组关联性分析研究表明某些表观遗传酶的突变与IBD易感性显著相关。此外，肠道微生物及其代谢物能够改变宿主染色质修饰酶活性，从而影响宿主的免疫调节和疾病易感性。对IBD中表观遗传学机制的研究将有助于将发病机制中的遗传易感性和肠道微生物联系起来。
2. 表观遗传突变作为肠道炎症的触发机制和靶点
许多全基因组甲基化分析结果表明在年轻以及成年IBD患者的血清和肠道组织中，DNA表现出异常的甲基化。此外，CD病人中肠道上皮细胞（IECs）的组蛋白甲基化分析揭示了H3K4me3特征的差异，基因中丰富的H3K4me3表达介导了与细菌、细胞因子相关的免疫反应， 而H3K4me3的低表达，与肠道上皮离子吸收以及脂质、蛋白质代谢相关。此外，一些研究表明，有显著差异的甲基化或组蛋白修饰基因实际上是IBD发病的高风险位点。然而，将相关性与因果关系完全分离起来往往具有挑战性。
在小鼠实验中，表观遗传酶的变化对体内的免疫和肠道的稳态有深刻影响，这也为表观遗传与IBD的因果关系提供了依据。DNA"编码器"（DNMT1），组蛋白 "编码器" （Setdb1， Ezh2， Ash1l）， DNA “擦除器”（Mbd2， Tet）， 组蛋白 “擦除器”（HDACs 2， 3， 7），组蛋白 “读取器” （Uhrf1， Trim28， SP140） 或染色质重塑因子（SMARCA4，PBRM1）的缺失破坏了细胞的特性，微生物的识别以及肠道的稳态平衡（见表1）。重要的是，敲除IBD动物模型中保护的某些表观遗传酶提供了改善肠道炎症的一些治疗方法。例如，敲除组蛋白"编码器"（G9a，KAT8），组蛋白"擦除器"（JMJD3，KDM2B，HDAC 6，9，10） 或染色质重塑因子 SMARCD1 通过改变 Treg细胞：（Th）17 的比例，抑制巨噬细胞的炎症表达或促进保护性肠上皮细胞功能来改善多种IBD模型。
3. 与IBD相关的表观遗传调节因子和调控区域的基因变异
在人类中，表观遗传调节因子或调控区域的变异正在成为IBD易感性的直接原因。在90%IBD相关基因变异的非编码区域中，大部分发生在染色质调控区域，如以 H3K27ac标记的免疫细胞增强剂，通常靠近免疫细胞识别、分化以及刺激特定基因表达的主调节器的位点。事实上， 在 CD4+Tregs 细胞的增强剂中IBD的风险位点对于缓解结肠炎是必要的。此外，使用GWAS分析发现三个编码表观遗传调节因子位点内的遗传变异：SP140、DNMT3A 和 DNMT3B与 IBD易感性的增加有关（Table2）。精细定位GWAS分析和非欧洲目标队列的研究已经确定了与表观遗传调节因子（如 Baz1a 和 HDAC11）相关的新的风险位点。此外，对结肠活检标本的分析显示表观遗传调节因子如EZH2、SIRT6、ASH1L、SETDB1和BRG1，被认为具有小鼠结肠炎的表型（见表1），并降低了人类炎症性肠病的表达水平。
在GWAS鉴定的IBD相关表观遗传酶突变中，SP140是迄今为止唯一经过功能验证的。SP140 是一种受免疫限制的含有表观遗传“阅读器”的 PHD结构域和溴结构域，和 CD 相关的 SP140的单核苷酸多态性导致 SP140 mRNA 的拼接改变，并最终减少 SP140 蛋白质的表达。SP140被认为是巨噬细胞转录程序的重要组成部分，巨噬细胞转录程序通过优先占据沉默的、带有H3K27me3的不合适的基因，以此来抑制细胞的分化。因此，在小鼠或人类巨噬细胞或携带克罗恩病相关SP140单核苷酸多态性的细胞中敲除SP140后，细胞对toll样受体(TLR)刺激表现出低反应性，表明这一表观遗传阅读器在对微生物群的免疫应答中发挥关键作用。重要的是，实验表明在小鼠体内造血特异性SP140的敲除导致DSS诱导的急性肠炎的加重，因此可以说这种表观遗传阅读器的缺失是肠道炎症的原因。因此，由于SP140缺失而无法解释免疫细胞的表观遗传突变会导致肠道炎症。
4. 微生物群对宿主染色质的整体影响
总体来说，无论是在DNA甲基化水平，还是在组蛋白翻译后修饰(PTMs)水平，肠道菌群及其代谢物深刻影响着宿主染色质。使用无菌(GF)饲养的小鼠或抗生素(ABX)治疗的小鼠表明微生物群的缺失极大地破坏宿主在肠道中的染色质。微生物群维持调节细菌敏感、免疫和稳态的基因DNA的甲基化。在最近的一项研究中，与无菌饲养的小鼠相比，常规小鼠的肠上皮细胞(IECs)调控元件的DNA甲基化降低，这些甲基化与炎症基因和细菌感应途径(如MyD88)相关，而这种去甲基化是由TETs介导的。不同的DNA甲基化发生在小鼠出生后发育的早期，这为微生物区系以dnmt1依赖的方式提供了一个关键的发展窗口，这与负责粘液屏障形成和肠道成熟的基因的转录，以及先天免疫和吞噬基因的转录相关。
同时，在无菌饲养和抗生素处理的小鼠中观察到组蛋白修饰的整体改变(H3K4me3, H3K27me3)。特别是微生物依赖的组蛋白修饰丰富了相关先天性和适应性免疫以及代谢途径。此外，在结肠中观察到大量与活性转录相关的组蛋白克隆化，而在抗生素处理的小鼠中则较少。此外，染色质可及性，特别是在各种肠道细胞的增强子中，会被肠道菌群改变，这与基因表达改变的方向一致。无菌饲养小鼠的常规化和共生菌的重建挽救了DNA甲基化、组蛋白修饰和染色质可及性的改变。因此，微生物群是宿主表观遗传状态的主要影响因素。
5. 表观遗传学可以作为代谢状态的传感器
如前所述，表观遗传学和代谢密切相关。几乎所有的染色质修饰酶都依赖于可利用的代谢物来发挥催化活性，因此这将巩固微生物与适应性细胞转录的表观遗传学之间复杂的共同进化关系。DNA甲基转移酶(DNMTs)需要代谢物s-腺苷蛋氨酸(SAM)，组蛋白乙酰转移酶需要乙酰辅酶a(acetyl- CoA)。其他代谢物，如酮戊二酸，s -腺苷同半胱氨酸(SAH)， β-羟丁酸同样作为各种表观遗传酶的底物，供体，辅助因子，或竞争性抑制剂（表一）。最近发现的新表观遗传标记也证明了这种紧密耦合，包括组蛋白琥珀酰辅酶a、巴豆酰辅酶a和乳酰，它们分别依赖于底物琥珀酰辅酶a、巴豆酰辅酶a和乳酸水平。这些代谢产物产生于不同的细胞代谢途径，包括三羧酸(TCA)和蛋氨酸循环。同时，微生物组也是哺乳动物代谢产物的主要来源，包括脂类、维生素、有机酸、吲哚、恶唑和二级胆汁酸(SBAs)，正在成为宿主表观遗传酶活性的重要调节因子。特别的是，微生物群能够通过发酵反应从膳食纤维中代谢产生复杂碳水化合物，从而在结肠腔内产生小有机酸，其中大部分是短链脂肪酸(SCFAs):乙酸、丙酸和丁酸——所有这些都是HDAC抑制剂。值得注意的是，在无菌饲养小鼠中补充SCFAs可以再现在完整菌群定植的肠道中观察到的大部分整体染色质状态和基因表达模式。从结直肠癌小鼠模型中的研究也显示了其他微生物衍生的代谢物，如鞣酸，是如何通过促进TCF4-染色质关联以及随后在WNT启动子中的H3K4me3来影响染色质的。因此，细胞和微生物代谢物都是可塑转录和细胞输出等表观遗传活动的主要驱动因素。
因此，作为IBD的标志，微生物群及其代谢产物的任何改变都将深刻地改变宿主的表观遗传酶活性。当然，在IBD患者中一直可以观察到微生物群落物种多样性的减少。重要的是，微生物多样性的减少与代谢物库的减少是相似的，减少的细菌菌株是那些产生有益代谢物如丁酸盐和植酸盐的细菌。除了SCFAs外，IBD患者中的泛酸盐和烟酸盐(维生素B5和B3)也减少了，而多不饱和脂肪酸如肾上腺素和花生四烯酸盐则增加了。其他代谢产物如胆汁酸和酰基肉碱在IBD患者中也存在差异。烟酸盐的改变会影响NAD+池，因此可以预测会直接影响HDACs的Sirtuin亚家族的活性，而乙酰肉碱的改变会改变乙酰辅酶a池，因此可以预测会影响HAT的活性。然而，作为IBD患者宿主和微生物群之间的关键介质，IBD中所有代谢产物的改变都将对表观遗传酶产生精确影响，这将是未来研究的一个重要领域。
图1 代谢与表观遗传学的密切关系
宿主细胞和细菌衍生的代谢物作为染色质修饰酶功能必要的辅助因子。绿色箭头表示促进酶活性，红色箭头表示抑制酶活性。这个图形是使用Biorender创建的。
6. 肠上皮细胞中微生物组和表观基因组之间的交叉
肠上皮细胞(IECs)一方面作为物理屏障维持肠道内稳态，另一方面表达先天免疫受体，以识别和应答共生微生物。众所周知，微生物群调节肠上皮细胞(IEC)屏障的完整性，特别是在哺乳至断奶的过渡阶段，此时固体食物的摄入和代谢物对建立屏障的完整性至关重要。肠道共生菌双歧杆菌和乳酸菌产生的乳酸导致肠干细胞扩增，并分化为杯状细胞和盘状细胞。有趣的是，巨噬细胞中的组蛋白泌乳作用最近被认为可以驱动参与组织稳态的基因表达，这表明其在IECs中的作用可能类似。Alenghat等人的一篇论文中IECs中组蛋白“清除器”HDAC3的缺失强调了IECs对于微生物的表观遗传编码所提供的关键平台。在DSS诱导肠炎模型中，HDAC3ΔIEC小鼠表现出更严重的体重减轻、疾病严重程度、隐窝结构的消失、水肿和炎症。此外，HDAC3调控的大部分基因表达具有微生物依赖性。上皮细胞HDAC3在整合代谢信息和调节饮食引起的小鼠肥胖方面也至关重要。最近的研究扩展了微生物群如何在小肠和结肠中编码H3K4me3和hdac3依赖的H3K9ac和H3K27ac的昼夜节律。无菌饮食小鼠正常饮食后，IECs中的HDAC3增加，而多形拟杆菌对GF小鼠的单克隆也能充分诱导HDAC3的增加。此外，在缺乏生物钟抑制因子REV-ERBa的情况下，HDAC3与靶基因的结合减少，这意味着需要感知昼夜节律。虽然HDAC3活性被产丁酸盐的普拉梭菌定殖菌抑制，但与无菌饮食小鼠相比，在充满微生物环境中的小鼠IECs中HDAC3活性实际上增加了。随后发现微生物代谢物三磷酸肌醇(IP3)和植酸可以激活HDAC活性，证明微生物代谢物的HDAC差异性调节。由产生大肠杆菌的植酸定植小鼠的IECs降低了HDAC3调控位点的H3K9ac，同时植酸给药的DSS小鼠肠炎也明显好转。就IECs的先天免疫功能而言，IECs中c型凝集素受体Clec2e的微生物依赖性转录抑制与组蛋白乙酰化减少和HDAC3的招募相关，以减少柠檬酸杆菌的附着。在另一项研究中，柠檬酸杆菌肠道感染导致IECs中HDAC活性的整体增加，而这是CD8淋巴细胞产生IFN-y以清除感染所必需的。因此，微生物如何决定肠上皮细胞功能的一个关键机制是通过组蛋白去乙酰化酶，特别是HDAC3，以此感知新陈代谢、昼夜节律和微生物信息，以协调免疫应答、维持肠道内环境稳态(图2)。
7. 肠道免疫细胞中微生物组和表观基因组之间的相互作用
肠道免疫细胞在共生体和病原体之间的感知和鉴别中起着重要的作用。微生物群驱动特异免疫细胞群的分化，包括结肠巨噬细胞或固有淋巴样细胞群，并在这些细胞上刻上组织特异性功能中不可或缺的印记(图2)。例如，微生物来源的代谢产物丁酸的存在使巨噬细胞增强对致病菌的抗菌素活性。丙酸盐和醋酸盐的效果则不那么明显，这表明各种SCFAs的独特作用。由于丁酸或丙酸盐的协同刺激降低了NF-kB的激活和细胞因子的产生，在其他研究也同样观察到了巨噬细胞的抗菌活性的增加（图2）。而在抗生素治疗的小鼠肠道巨噬细胞中则观察到了相反的情况。重要的是，丁酸盐不能增强HDAC3沉默的巨噬细胞的抗菌活性。罗伊氏乳酸菌是一种常见的共生菌，它能产生一种新型的叶酸(维生素B9)，能将2个碳转移到同型半胱氨酸上，从而产生硫化物。人细胞系THP-1组蛋白的质谱分析显示，将乙硫氨酸而非蛋氨酸插入蛋白中，可使组蛋白甲基化减少，组蛋白赖氨酸残基乙基化则增加。此外，在THP-1细胞中，乙硫氨酸预处理可抑制LPS刺激后的NF-kB激活和TNF转录。相反，来自致病菌金黄色葡萄球菌的乳酸可抑制HDAC11，抑制HDAC6的激活，增加IL10启动子的组蛋白3乙酰化，导致小鼠宿主巨噬细胞IL10转录增强。这些发现提供了一个复杂的思路即来自共生菌或致病菌的代谢物如何以不同的方式免疫调节宿主染色质，以及表观遗传酶如何调节宿主对不同微生物信号的应答。最近的研究进一步支持了微生物在表观遗传学上“训练”免疫细胞状态的观点。梭状芽孢杆菌通过改变骨髓粒细胞祖细胞H3K4me3和H3K27me3，提供微生物处理的胆汁酸盐、脱氧胆酸来抵抗痢疾阿米巴虫的感染，诱导肠道中性粒细胞的扩张和分化。同样，微生物群对树突状细胞(DC)的免疫应答也至关重要，因为无菌饲养的小鼠以及抗生素治疗的小鼠的树突状细胞(DC)不能充分产生I型干扰素(IFN)（图2）。这不是由于内在固有信号缺陷,而是由于在许多炎症初始应答基因或IFN刺激基因的转录起始位点上，H3K4me3水平降低，染色质发生变化，H3K4me3水平降低，代谢过程中H3K27me3水平增加，而这些代谢过程对启动后续的T细胞免疫应答至关重要。因此，共生菌群及其代谢物可以通过染色质机制指导肠道先天免疫细胞从而协调转录应答。
与此同时，微生物群通过表观遗传基因组对于调节适应性免疫应答和维持对共生体微生物的耐受性至关重要。丁酸盐和少量丙酸盐，通过抑制Foxp3位点的HDAC活性，在外周和结肠中调控T调节细胞(Tregs)的生成。相反，丁酸盐抑制了Th17的分化。体内予丁酸盐或福普拉梭菌的上清液可减轻结肠炎。其他含量较少的SCFAs，如戊酸盐，也会影响Th17的增殖和IL17A的产生。对所有SCFAs的比较显示，戊酸盐、丁酸盐和丙酸盐对T淋巴细胞的HDAC抑制活性较强，而醋酸盐和己酸盐的活性较弱。戊酸盐对B调节性细胞(Bregs)有影响，但对Tregs无影响。有证据表明其他代谢物如次生胆汁酸(SBA)也可以通过染色质结构的改变调节Th17和Treg的分化。3-胆烷酸和异石胆汁酸和3-oxoLCA相互作用，抑制Th17细胞的分化，而isoalloLCA增加Treg的分化。应用SBAs、石胆酸、脱氧胆酸和熊脱氧胆酸可减轻DSS诱导、TNBS诱导、T细胞转移性结肠炎以及艰难梭菌感染性肠炎。此外，有一些证据表明，它们也可以作为HDAC抑制剂。这些研究强调了微生物群的细胞特异性、代谢特异性编码。然而，到目前为止，大部分研究都集中在这个过程中的SCFAs和HDACs，因为HDAC活性是一个比较容易测定。了解染色质调控其他微生物代谢物免疫调节的潜在机制，将是未来研究的一个重要方向。
图2 作为微生物与宿主交流中介的表观遗传学机制
通过表观遗传基因组调节肠上皮细胞和免疫细胞的发育和功能的肠道微生物和代谢信息示意图。个别染色质修饰酶被证明是重要的交流中介。这个图表是使用biorender创建的。
8. 结语、展望和未来
IBD是一种多因素疾病，更有可能是多种亚群疾病，这使得精确诊断和治疗管理都具有挑战性。目前在对IBD亚型和发病的遗传机制上已经取得了实质性的进展，然而遗传因素只能解释整个疾病发病率的一小部分。环境诱因，如肠道微生物的失衡，也是疾病分层的一个主要因素；然而，在IBD的发展过程中，来自微生物群的信息是如何被整合的，其潜在的机制仍不清楚。表观遗传学将遗传易感性与IBD发病机制中的微生物失衡联系起来，并可能提供新的精确诊断和治疗靶点。
事实上，表观遗传学在调节健康人群和IBD患者的宿主微生物-代谢关系方面的重要性正在迅速显现。此外，表观基因组的改变或染色质酶的遗传变异正在成为IBD的致病因素。然而,研究较少的肠道真菌和病毒等微生物和表观基因组之间的关系,新微生物代谢物在改变宿主表观基因组中的作用，以及特定细胞类型的表观遗传学改变直接导致了疾病的发生，这些研究仍然较少。有一个基本的问题仍然没有得到解答，那就是用越来越多的表观靶向药物来改变表观遗传、微生物组或代谢改变对于复杂的免疫紊乱如IBD是否是一种可行的策略。未来，解释由染色质修饰酶特异性调控的关键上皮细胞、免疫或神经通路如何应答共生微生物及其代谢物的变化，以及这一切如何促成IBD发病的不同表型，将是至关重要的。由于染色体技术的快速改进，使免疫学家更容易获得相关细胞，这将有助于染色体的研究。最后，对于单个细胞类型的共生菌群或新代谢物对表观基因组方面广泛和公正的评估是非常必要的，这也可能揭示在表观遗传基因-代谢组-微生物组轴中意想不到的治疗靶点。