背景介绍

肠道炎影响着全球数百万人的健康。

了解控制肠道健康的机制并把这些研究成果应用于开发新的治疗方法，可加速推进肠道疾病的治疗和有效地提高大众的肠道健康。

 

微生物组改变肠上皮表观图谱

有研究发现环境因素对炎症（如炎症性肠病^[1]）的发展有着重大的影响，所以表观遗传机制可能在其病理学中起着至关重要的作用^[2]。

Frank Lyko（德国海德堡德国癌症研究中心）和Yehudit Bergman（以色列耶路撒冷希伯来大学医学院）的研究团队发现，肠道微生物组具有改变特定肠道常驻细胞表观遗传景观的潜力^[3][4]，这将影响基因表达和肠道细胞功能，这是维持肠道内环境平衡和避免疾病发展的关键。

该研究团队最近发表的题为“The microbiota programs DNA methylation to control intestinal homeostasis and inflammation”的文章，研究了肠道微生物组如何影响肠上皮细胞的表观遗传景观。

这些肠道守护者形成了一个物理和生化屏障，用于隔离组织和肠道的其它细菌，使之在正常情况下或引发肠病相关的急性炎症时，能够维持肠道内环境平衡^[5]。

他们的研究结果表明，肠道微生物组的活动使肠道健康相关基因的调控元件产生了特定的表观遗传图谱。

该研究团队还推测，这种机制可能有助于支持肠道内环境平衡的基因表达谱，也可能防止肠道炎症带来的不良后果。

 

转录组学-细菌的有无

在本研究中，研究者首先探讨了6至7周龄无菌与常规饲养雄性小鼠（C57BL/6）分离的肠上皮细胞间的基因表达情况（转录组），获得了暴露于肠道微生物组下的基因表达谱。

在常规饲养的小鼠中，下调基因包括影响细胞外基质和代谢过程的基因，而上调基因主要影响细胞增殖。

总的来说，这些初步发现表明肠道微生物组可能会对肠上皮细胞生物学的多个方面产生重大影响。

 

基因调控区的DNA甲基化-微生物影响DNA甲基化

该研究团队随后采用全基因组亚硫酸氢盐测序（WGBS）对两组的DNA甲基化进行了深入分析。

与无菌小鼠相比，从常规饲养小鼠分离的肠上皮细胞中的基因调控元件的DNA甲基化水平总体降低。

有趣的是，对常规饲养小鼠中DNA甲基化缺失区域的上调基因进行的基因本体（GO）分析显示“小鼠结肠炎”、“人类炎症性肠病”和“人类衰老”与其显著相关。

作者提出，暴露于肠道细菌可促进基因调控区的DNA去甲基化，从而促进保护肠道的基因表达，并通过抗菌和抗炎活性（例如IFITM3、NOS2和PLA2G2A）促进体内平衡，作者称之为“早期前哨（early sentinel）”反应基因。

 

实验诱导细菌暴露-构建可控系统

接下来的研究评估了常规饲养的小鼠暴露于右旋糖酐硫酸钠后的肠上皮细胞，右旋糖酐硫酸钠是一种合成硫酸多糖，可改变肠粘液层，使细菌浸润模拟炎症性肠病的发展。

有趣的是，这些炎症状态促进了基因调控区的DNA甲基化丢失和相关基因表达的增加。同时作者指出，这些炎症诱导基因与结肠炎和结肠癌的关联可能提供了连接表观遗传学、炎症和癌症的纽带（Elinav等人）。

值得注意的是，作者还观察到，与传统饲养的小鼠相比，无菌小鼠对实验诱导的炎症性肠病的敏感性更高，DNA甲基化诱导的基因表达变化（包括先前确定的保护基因）显著减少。

这些发现揭示了肠道微生物组对传统饲养小鼠中发生的绝大多数炎症诱导基因表达方面有一定的刺激作用。

为了证实这一假设，将常规饲养的小鼠粪便移植到无菌小鼠体内，可显著降低基因调控元件的DNA甲基化，并使分离的肠上皮细胞中相关基因的转录上调，从而证实微生物组在肠细胞表观遗传编程中的关键作用。 


基因增强子区域-ATAC-Seq又能挖出些什么新故事？
对传统饲养小鼠实验性炎症性肠病影响的调控元件进行更深入的表观遗传学分析表明，相关的急性炎症在假定的基因增强子区域（以单甲基化H3K4和乙酰化H3K27组蛋白修饰为标志）诱导了深刻的表观遗传学变化。
此外，表观遗传格局的改变与NF-κB和AP1转录因子控制的炎症转录网络的活性改变同时发生。
通过应用ATAC-Seq对表观遗传学景观的进一步分析还表明，炎症性肠病模型小鼠肠上皮细胞中的基因表达上调，与染色质可及性增加相关，这与DNA甲基化的相关丢失非常一致。 


TET酶-与微生物组的效应
最后，作者阐述了肠道微生物组诱导的DNA甲基化改变背后的分子机制，并强调了与无菌小鼠相比，传统饲养小鼠中TET2和TET3甲基胞嘧啶双加氧酶的表达升高，这在DNA去甲基化过程中起着众所周知的作用。
该研究发现，在常规饲养的小鼠中，TET2和TET3表达的缺失抑制了先前观察到的炎症诱导的调节区DNA甲基化缺失，从而提高了对炎症性肠病症状的易感性。
同时也表明，缺乏TET2和TET3的小鼠对炎症反应的反应降低。 


总结
总的来说，这些结果表明肠道微生物组的存在（可能通过代谢产物的产生？）支持在肠上皮细胞的基因调控区域形成特定的表观遗传景观，这促进正常肠道健康的基因表达，并可以防止炎症性疾病（如炎症性肠病）的不良后果。
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文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41564-019-0659-3
参考文献：
[1] Khor B, Gardet A, Xavier R J. Genetics and pathogenesis of inflammatory bowel disease[J]. Nature, 2011, 474(7351):307-317.
[2] Jenke A C, Zilbauer M. Epigenetics in inflammatory bowel disease[J]. Current Opinion in Gastroenterology, 2012, 28(6):577.
[3] ChristophA, Thaiss, Maayan, et al. Microbiota Diurnal Rhythmicity Programs Host Transcriptome Oscillations[J]. Cell, 2016.
[4] Gury-Benari M, Thaiss C , Serafini N , et al. The Spectrum and Regulatory Landscape of Intestinal Innate Lymphoid Cells Are Shaped by the Microbiome.[J]. Cell, 2016, 166(5):1231-1246.e13.
[5] Peterson L W, Artis D. Intestinal epithelial cells: regulators of barrier function and immune homeostasis[J]. Nature Reviews Immunology, 2014, 14(3):141-153.