文獻解讀：表觀基因組-微生物組軸揭示腸道菌群的宿主調控
腸道菌群（gut microbiome）是影響宿主基因表達的表觀遺傳效應因子。最近的研究表明，宿主能夠通過表觀遺傳變化影響其腸道菌群，包括影響免疫基因的宿主基因表達、腸道屏障功能以及通過非編碼RNA的組蛋白和DNA修飾。對宿主生物的表觀遺傳修飾與其相關腸道菌群構成或活性之間的動態(tài)互作研究表明，宿主有機會通過導致基因表達和非編碼RNA活性變化的表觀遺傳改變來塑造其微生物組。本文利用微生物組誘導的表觀遺傳變化，綜述了宿主表觀遺傳調控其腸道菌群的潛力，從而形成雙向“表觀基因組-微生物組軸”。此軸加入了環(huán)境誘導的變異，可能會影響宿主-微生物互作的適應性進化。最后提出如何在全基因組范圍內理解和研究表觀基因組-微生物組軸，以及表觀基因組-微生物組軸在健康和食品科學中的潛在應用。
腸道菌群的宿主調控
居住在動物胃腸道中的腸道菌群與宿主共同進化了數(shù)百萬年，塑造了共生體(holobiont)之間錯綜復雜的關系。雖然腸道菌群對宿主生理（代謝、免疫功能和行為）作用正在被越來越詳細地理解，但關于宿主如何積極參與影響其微生物組的了解還相對較少。人類腸道菌群與飲食、生活方式、年齡、性別和遺傳背景有關，表明一些宿主因子參與微生物組構成。隨著宿主-微生物互作分子和細胞通路的研究越來越多，人們越來越認識到宿主和其微生物組之間可以互作。這種互作使宿主能夠調控其腸道菌群的一部分，可能有助于維持腸道穩(wěn)態(tài)，同時也能選擇影響適應性特征的微生物特征，如宿主生長、繁殖或疾病抗性，最終影響共生關系進化。
比較系統(tǒng)發(fā)育學揭示宿主基因型可能選擇某些腸道微生物，全基因組關聯(lián)研究鑒定出與微生物組構成相關的遺傳變異——宿主-微生物在長期（進化）的共同進化。在某些物種中，這種宿主基因型過濾被影響微生物組構成的環(huán)境因素所掩蓋。然而，即使在遺傳上相似的個體暴露于相同的環(huán)境條件下，也存在腸道菌群差異，這可能涉及表觀遺傳變異。
最近宿主表型與相關腸道菌群的動態(tài)互作示例表明，宿主有可能通過表觀遺傳變化和基因表達變化來塑造其微生物組，而無需改變潛在的遺傳密碼。根據(jù)這種表觀遺傳變化的遺傳方式和程度，將允許宿主對影響腸道環(huán)境和菌群構成或活性因子變化做出適應性相應。由此引入表觀基因組-微生物組軸概念，強調宿主表觀基因組對其微生物組的復雜調控。
首先，提供了宿主微生物組誘導的表觀遺傳變化概述。
接下來，引入宿主通過表觀遺傳反饋機制調控其微生物組構成和活性的新視角，以響應如環(huán)境或微生物線索（圖1）。認識到表觀基因組-微生物組軸的雙向性，進而促進理解宿主-微生物互作及其（共同）進化。
最后，概述實驗框架，說明宿主如何主動修飾表觀基因組以塑造應用健康和食品科學中微生物組誘導的表型。
微生物組誘導宿主表觀遺傳變化
對微生物組誘導的宿主表觀基因組變化研究闡明了表觀基因組和微生物組互作的潛在機制（圖2），尤其在致病背景下。微生物代謝物（如短鏈脂肪酸,SCFA）和蛋白質（如毒力因子）可以作為表觀遺傳效應因子，通過腸上皮界面影響宿主的基因表達和表觀遺傳編程。腸上皮由各種各樣的腸上皮細胞（IEC）組成，與粘液層共同作為宿主-腸道微生物互作的第一物理線，并將微生物信號傳遞給宿主。微生物引起的表觀遺傳變化包括DNA和組蛋白修飾、染色質可及性和非編碼RNA（ncRNA）活性。這些表觀遺傳變化可以改變宿主的轉錄環(huán)境，特別是在IEC中，從而影響不同的分子和細胞響應以及信號通路。
圖2：全基因組表觀基因組-微生物組軸。
短鏈脂肪酸（SCFAs）是研究得最深入的微生物代謝產(chǎn)物之一，SCFAs在宿主生理中起著至關重要的作用，包括通過DNA甲基化和組蛋白修飾影響表觀基因組。SCFAs包括丁酸、乙酸和丙酸，通常由腸道微生物發(fā)酵多糖產(chǎn)生。SCFAs是宿主組蛋白去乙�；福℉DACs）的重要抑制劑，HDACs可以去除組蛋白賴氨酸乙�；鶊F，導致染色質凝縮和轉錄沉默（圖3）。SCFAs還可以影響組蛋白去克羅酰化和�；�，并為組蛋白乙酰轉移酶（HATs）提供供體底物。TET酶對DNA去甲基化至關重要，SCFAs可以影響TET酶活性，如果靶向基因啟動子，通常會增加基因轉錄。其他微生物產(chǎn)物（B族維生素、葉酸和蛋氨酸等），通過生成S-腺苷甲硫氨酸（SAM），作為DNA甲基轉移酶（DNMTs）和組蛋白甲基轉移酶（HMTs）的底物，充當甲基和乙酰供體。一些研究發(fā)現(xiàn)微生物組介導的全基因組DNA甲基化（即甲基化組）和IECs（腸上皮細胞）中組蛋白乙�；阶兓�。
圖3：宿主表觀基因組和腸道菌群之間互作的潛在機制。
在慢性炎癥性腸�。↖BD）患者與健康對照組之間觀察到全基因組DNA甲基化的顯著差異，包括宿主抗菌基因表達增加，這與在小鼠（Mus musculus）中觀察到的情況相似。此外，某些以腸桿菌科和擬桿菌屬成員為主的微生物組與免疫相關標記的甲基化變化和細胞因子產(chǎn)生增加有關。在無菌斑馬魚（Danio rerio）幼蟲中，未表征共生菌（實驗室自然發(fā)生）的定植通過染色質修飾誘導促炎和抗病毒基因表達。
非編碼RNA（ncRNA）參與轉錄和轉錄后水平的基因表達調控。microRNA（miRNA）和長鏈非編碼RNA（lncRNA）對不同腸道菌群和微生物代謝產(chǎn)物的響應中表現(xiàn)出差異表達，這在無菌、單菌群定植和常規(guī)飼養(yǎng)的小鼠中都有觀察到。盡管這種調控機制尚不清楚，但ncRNA正成為宿主對多微生物組相關病理響應（如肥胖和癌癥）的重要調控因子。外膜囊泡中包含的細菌 ncRNA 也是宿主表觀基因組的調控因子。此外，飲食中的ncRNA可以影響腸道菌群和宿主基因表達。
微生物組衍生配體可以影響轉錄因子結合（如抑制宿主對炎癥的基因調控應答）。Davison等人發(fā)現(xiàn)斑馬魚微生物組抑制轉錄因子肝細胞核因子4（HNF4）的結合，HNF4調控膽汁酸產(chǎn)生，可能導致IBD發(fā)展。此外，飲食成分可以調控微生物代謝和微生物組誘導的表觀遺傳變化的底物可用性，從而影響宿主健康。然而，大多數(shù)微生物代謝產(chǎn)物對宿主表觀基因組組的影響尚未得到驗證。
腸道菌群的宿主表觀遺傳調控
越來越多的證據(jù)揭示理解宿主表觀遺傳因子如何構建微生物組構成的重要性。然而，很難理清宿主表觀遺傳學、基因表達和微生物組相關性的潛在因果關系。例如Schaible等人表明，富含甲基供體的飲食可以同時誘導小鼠特定位點的宿主DNA甲基化和腸道菌群變化，但沒有進一步探索因果關系。然而，實驗研究表明宿主表觀遺傳學和基因表達的差異可以導致微生物組變化，揭示了宿主-微生物互作的雙向軸。
這些實驗研究揭示一系列對微生物組有影響的宿主蛋白。Alenghat等人證明，在IECs（腸上皮細胞）中去除組蛋白去乙�；�3（HDAC3）的小鼠敲除模型中，表現(xiàn)出抗菌基因表達減少、腸道屏障功能喪失以及腸道菌群構成變化，其中變形菌門（Proteobacteria）水平增加，表明影響微生物組反饋信號包括宿主表觀遺傳和轉錄通路的協(xié)調響應。IECs中HDACs表達調控淋巴細胞活性和抗菌肽（AMPs）產(chǎn)生，作為對細菌感染的免疫響應，可以維持腸道屏障功能（圖3）。Eshleman等人揭示了微生物產(chǎn)生的丁酸在小鼠和小腸類器官中抑制IECs中HDAC3的反饋回路。HDAC3抑制阻礙了上皮（簇狀）細胞發(fā)育，破壞對蠕蟲病原體感染的下游免疫細胞和細胞因子響應。幾種sirtuin蛋白也去乙�；M蛋白，如腸道中SIRT1缺失小鼠顯示出腸道菌群變化，導致腸道炎癥增加或減少，需要進一步探索SIRT1和HDAC3等基因是否通過組蛋白去乙�；蛱娲鷻C制與微生物組互作。在果蠅（Drosophila melanogaster）中，敲除染色質重塑因子CHD1會增加腸道中AMPs表達，并導致腸道屏障功能受損，結果出現(xiàn)菌群失調。類似實驗中，敲除轉錄調控免疫基因的組蛋白去甲基化酶KDM5，也導致腸道屏障功能障礙和菌群失調。在小鼠中，敲除染色質reader蛋白斑點蛋白140（SP140）導致了菌群失調和AMP表達失調。
腸道衍生的免疫系統(tǒng)分子（包括AMPs、細胞因子和分泌性免疫球蛋白）是真核宿主先天免疫響應和防御病原體的重要組成部分，其可以促進共生微生物的耐受性，從而維持腸道穩(wěn)態(tài)。AMPs通常專門靶向微生物膜，以破壞、包裹或穿透，導致抑制或殺死細菌、真菌或包膜病毒。AMPs還激活免疫細胞并刺激細胞因子產(chǎn)生（圖3），宿主對AMPs、抗炎細胞因子和免疫球蛋白抗體的表達可以響應微生物抗原，但也可以響應SCFA產(chǎn)生，如豐富的免疫球蛋白A結合到細菌表面的特定抗原上，實現(xiàn)調控性覆蓋。這些宿主衍生分子因此直接調控微生物組多樣性和豐度，可能是許多觀察到但尚未表征的宿主表觀遺傳變化和腸道菌群之間關聯(lián)的基礎。
其他例子顯示外源性應激如何通過宿主基因組的表觀遺傳變化影響微生物組。Cortese等人用糖皮質激素處理懷孕小鼠，改變了DNA甲基化，導致調節(jié)腸道屏障功能的緊密連接和Toll樣受體相關通路的基因表達變化，進而介導后代微生物組變化。Hansen等人揭示致病性皮膚感染誘導大西洋鮭魚（Salmo salar）腸道組織DNA甲基化差異，從而影響腸道菌群構成。研究還表明同一水箱中健康魚的微生物組保持穩(wěn)定，表明病魚中的微生物組變化由與免疫功能和粘液分泌相關的宿主表觀遺傳響應引起。此外，Brealey等人表明，與鮭魚腸道絳蟲感染相關的細菌定植與鮭魚基因組中幾個lncRNAs的遺傳變異強相關。這些lncRNAs可能通過調控基因表達或免疫應答參與宿主對腸道菌群調控。
Liu等人發(fā)現(xiàn)，宿主衍生的miRNAs可以從IECs中以細胞外囊泡（外泌體）形式釋放到腸道腔中，進入細菌后直接干擾微生物的基因表達和生長。此外，糞便miRNA移植恢復了IEC特異性敲除miRNA處理酶Dicer的失調小鼠的腸道菌群。與AMPs或免疫活性的表觀遺傳調控相比，ncRNAs允許宿主通過靶向特定細菌和基因轉錄本直接以高特異性調控微生物組。多個ncRNAs也調控腸道屏障，如通過與緊密連接蛋白的表達互作用（在IBD患者中觀察到）。
表觀基因組-微生物組軸是否介導共生體特征的快速適應性進化？
表觀基因組構成微生物組與宿主基因表達之間的動態(tài)界面，可以作為對環(huán)境變化或病原體內在生理響應的感應因子或觸發(fā)因子。宿主表觀基因組和其微生物組都加入了環(huán)境誘導的變異，并且可能對外源性應激源做出快速響應。如在雞（Gallus gallus）身上進行的關于體重差異的人工選擇導致與微生物組相關的差異甲基化、基因表達和miRNA譜，表明雞的表觀基因組和微生物組的聯(lián)合適應性響應。利用最新測序技術進展，范圍可以擴展到包括宏基因組的表觀遺傳修飾，即共生體表觀基因組。微生物組可以被視為具有對宿主表型短暫和跨代表觀遺傳效應的“表觀遺傳現(xiàn)象”。微生物組介導基因-環(huán)境互作能力表明其是適應性變異來源。提高對這些非遺傳因子（微生物組和表觀基因組）對表型可塑性和適應潛力貢獻的認識，將改善對宿主-微生物關系（共同）進化以及一般適應性進化的理解。
微生物組影響宿主的適應性，但在不同物種間的影響程度不同。此外微生物組和宿主表觀基因組的跨代遺傳大小和模式在不同物種間尚不清楚，并且很少有一般性模式被描述。但人們越來越認識到，進化不僅通過宿主基因組的變化發(fā)生，還通過宏基因組和微生物組變化發(fā)生。此外，表觀遺傳變化可能在驅動表型可塑性、影響突變率從而影響基因組進化，以及潛在地印記過去的微生物接觸中發(fā)揮重要作用。表觀基因組-微生物組軸的實現(xiàn)表明，宿主-微生物組互作有可能在宿主中誘導表觀遺傳變化，這些變化可能影響微生物特征的快速適應，從而影響宿主對環(huán)境變化的適應性。
表觀基因組-微生物組軸的新興技術
生物技術的發(fā)展為實驗性地檢測表觀基因組-微生物組軸的潛在機制提供巨大潛力。截至目前，無菌或定植動物模型已被用來有效地推斷微生物組對宿主表觀基因組的影響。然而，宿主通過表觀遺傳變化直接和可逆地調控其微生物組構成和活性的潛力在表觀遺傳學的實驗研究中很少被探索。
CRISPR/Cas系統(tǒng)可以簡單使用小的導向RNA（gRNA）來定位特定DNA位點，Cas核酸酶可以在這些位點切割DNA鏈，以引入突變或插入。切割后依賴復雜的內源性DNA修復機制是脫靶效應的一個關注點。在Cas蛋白的兩個核酸酶域引入突變，可以創(chuàng)建催化失活（dCas）版本，利用CRISPR系統(tǒng)的特異性而不修飾DNA序列。將dCas與各種表觀遺傳效應子（基因調控蛋白，例如DNMTs或HMTs）融合，允許通過如DNA（去）甲基化或組蛋白（去）乙�；瘉斫档突蛟黾愚D錄。該融合蛋白（或編碼該蛋白的mRNA）可以與一個或多個gRNA結合注入細胞或胚胎，允許通過靶向基因啟動子等位點特異性DNA甲基化來穩(wěn)定（有絲分裂遺傳）但可逆地編程基因表達，從而直接分析微生物組中特定位點的表觀遺傳變化的功能和因果關系（圖4）。
全基因組利用CRISPR/Cas技術研究宿主基因對微生物組的影響，可以通過表觀遺傳工程進一步擴展。然而，主要挑戰(zhàn)包括為不同物種和組織中的不同表觀遺傳機制優(yōu)化dCas結構體。此外，識別對微生物組有重大影響的一個或幾個候選基因、位點和表達模式，或開發(fā)用于探測表觀遺傳組中許多位點的表觀遺傳篩選，是尚未解決的任務。
CRISPR/dCas系統(tǒng)的多功能性和可行性設計選擇意味著其正在超越其他表觀遺傳工程工具，包括鋅指蛋白和轉錄激活因子樣效應子陣列�；贛orpholino基因沉默，暫時阻斷靶向mRNAs翻譯，不會導致可遺傳的表觀遺傳突變，但可能在特定的發(fā)育時間點誘導持久的基因表達變化。也有可能采用更簡單但高通量的方法，如熱處理、飲食或其他生理化學變化，來刺激（表觀遺傳和微生物組之間的）相互作用。這些方法可以用來研究早期生活中的腸道發(fā)育和微生物定植。
Yang等人最近創(chuàng)建了轉基因小鼠，以誘導雙鏈DNA斷裂和最小突變的修復，加速衰老過程，包括增加基于DNA甲基化的表觀遺傳年齡和染色質狀態(tài)重塑。盡管需要遺傳改造，但這個實驗模型重現(xiàn)了衰老過程中觀察到的表觀遺傳失調，因此可以用來揭示將表觀基因組和微生物組變化與年齡聯(lián)系起來的功能通路。衰老研究可能代表未被探索的資源，用于探索這兩個潛在相互聯(lián)系的衰老標志如何互作。
這些實驗技術必須與技術相結合，以解決全基因組范圍內的甲基化組、組蛋白修飾和染色質組織，以及各種ncRNA分析方法。然而，解決一種或幾種類型的表觀遺傳修飾通常不足以闡明完整的表觀遺傳組-轉錄組-蛋白質組-代謝組譜（圖2），表明需要綜合的全基因組方法。以前的微生物組研究使用16S核糖體RNA進行微生物分析，僅限于對微生物組構成的描述性特征，對微生物組功能理解有限。然而，非靶向宏基因組學和新的靶向測序方法可以提供改進的宿主-微生物互作的機制視角。與側重于特定基因和分類群的擴增子測序方法不同，宏基因組學提供了宏基因組的全面描述。重建宏基因組組裝的基因組可以更深入地分析微生物的分類、遺傳和代謝多樣性。結合宏轉錄組學、非靶向（宏）代謝組學和高通量細菌培養(yǎng)組學，為宿主-微生物組關聯(lián)提供詳細的功能解釋。
利用表觀基因組-微生物組軸改善健康和畜牧業(yè)生產(chǎn)
通過益生元、益生菌和抗生素或糞便微生物移植來修飾微生物組的一般方法，可能由于個體在（表觀）基因型上的差異以及缺乏靶向特定微生物特征的目標而效率不高。與其靶向微生物組，不如靶向宿主微生物組調控機制，可能為預防或治療微生物組引起的疾病或由于表觀遺傳失調引起的菌群失調提供新的精準醫(yī)療。大多數(shù)表觀遺傳變化可逆，使其成為（化學）治療干預和個性化醫(yī)療的有趣目標。靶向表觀遺傳修飾的藥物（表觀藥物），如通過抑制DNA甲基轉移酶（DNMTs，如阿扎胞苷及其衍生物地西他濱）或組蛋白去乙�；福℉DACs，如羅米地新）已在某些癌癥治療中使用。與能夠誘導特定（潛在可遺傳）表觀遺傳突變的CRISPR/dCas工具相比，表觀藥物是廣泛調控表觀基因組-微生物組軸的候選藥物，表觀遺傳工程也可以考慮用于臨床目標，靶向微生物組失調介導的胃腸道疾病，DNA甲基化差異經(jīng)常介導遺傳易感性。這類疾病包括炎癥性腸病和壞死性小腸結腸炎，代謝性疾病如糖尿病和肥胖，神經(jīng)系統(tǒng)、自身免疫和炎癥性疾病，結直腸癌和胃癌，早期干預可能特別有效。但在畜牧業(yè)和野生動物中，缺乏對表觀基因組-微生物組互作的認識和研究。表觀遺傳工程可能作為一種新穎的替代方法，用于改善與生產(chǎn)動物生長、生存和減輕壓力相關的有益微生物特征（圖4）。
結論和未來展望
腸道菌群是影響宿主基因表達的表觀遺傳效應因子。然而，宿主也能夠通過例如影響免疫基因、抗菌肽（AMPs）或腸道屏障功能的組蛋白和DNA修飾來影響腸道菌群，并通過可能影響微生物基因表達的非編碼RNA（ncRNAs）（圖3）。然而，關于宿主衍生代謝物如何影響微生物組的知識還很少，許多瞬時產(chǎn)生的ncRNAs功能尚不清楚，表明未來研究重點應放在綜合宿主-微生物組互作的功能雙向通路上，這些通路是宿主調控腸道菌群的基礎。
一些研究表明，宿主對腸道菌群動態(tài)（可逆）表觀遺傳調控的重要組分通過調控與腸道屏障保護相關的基因或通路來實現(xiàn)。除了營養(yǎng)轉運，腸道屏障在病原體防御和維持健康腸道菌群的穩(wěn)態(tài)中至關重要。此外，菌群失調可以導致或由腸道屏障完整性破壞引起炎癥。闡明宿主對感染的表觀遺傳應答和腸道屏障通透性的表觀遺傳調控預示研究表觀基因組-微生物組軸的重要性。大多數(shù)當前研究限于無菌、定植、敲除、移植或用抗生素處理的實驗室動物模型，對于在養(yǎng)殖或自然條件下的大型、非近交動物，包括人類表觀基因組-微生物組互作知之甚少。此外由于大多數(shù)研究集中在腸道菌群的細菌成分上，宿主表觀基因組如何與病毒組和真菌組，或其他組織的微生物組互作，也基本未知。因此建議通過雙向表觀基因組-微生物組軸的視角重新審視全生物體生理學，包括微生物特征與宿主健康之間的關聯(lián)，引發(fā)一些新的研究問題和機會。
參考文獻：
Pepke ML, Hansen SB, Limborg MT. Unraveling host regulation of gut microbiota through the epigenome-microbiome axis. Trends Microbiol. 2024 Jun 4. pii: S0966-842X(24)00137-9. doi: 10.1016/j.tim.2024.05.006. PubMed PMID: 38839511.
腸道菌群的宿主調控
居住在動物胃腸道中的腸道菌群與宿主共同進化了數(shù)百萬年，塑造了共生體(holobiont)之間錯綜復雜的關系。雖然腸道菌群對宿主生理（代謝、免疫功能和行為）作用正在被越來越詳細地理解，但關于宿主如何積極參與影響其微生物組的了解還相對較少。人類腸道菌群與飲食、生活方式、年齡、性別和遺傳背景有關，表明一些宿主因子參與微生物組構成。隨著宿主-微生物互作分子和細胞通路的研究越來越多，人們越來越認識到宿主和其微生物組之間可以互作。這種互作使宿主能夠調控其腸道菌群的一部分，可能有助于維持腸道穩(wěn)態(tài)，同時也能選擇影響適應性特征的微生物特征，如宿主生長、繁殖或疾病抗性，最終影響共生關系進化。
比較系統(tǒng)發(fā)育學揭示宿主基因型可能選擇某些腸道微生物，全基因組關聯(lián)研究鑒定出與微生物組構成相關的遺傳變異——宿主-微生物在長期（進化）的共同進化。在某些物種中，這種宿主基因型過濾被影響微生物組構成的環(huán)境因素所掩蓋。然而，即使在遺傳上相似的個體暴露于相同的環(huán)境條件下，也存在腸道菌群差異，這可能涉及表觀遺傳變異。
最近宿主表型與相關腸道菌群的動態(tài)互作示例表明，宿主有可能通過表觀遺傳變化和基因表達變化來塑造其微生物組，而無需改變潛在的遺傳密碼。根據(jù)這種表觀遺傳變化的遺傳方式和程度，將允許宿主對影響腸道環(huán)境和菌群構成或活性因子變化做出適應性相應。由此引入表觀基因組-微生物組軸概念，強調宿主表觀基因組對其微生物組的復雜調控。
首先，提供了宿主微生物組誘導的表觀遺傳變化概述。
接下來，引入宿主通過表觀遺傳反饋機制調控其微生物組構成和活性的新視角，以響應如環(huán)境或微生物線索（圖1）。認識到表觀基因組-微生物組軸的雙向性，進而促進理解宿主-微生物互作及其（共同）進化。
最后，概述實驗框架，說明宿主如何主動修飾表觀基因組以塑造應用健康和食品科學中微生物組誘導的表型。
圖1：宿主表型受表觀基因組-微生物組軸影響。
微生物組誘導宿主表觀遺傳變化
對微生物組誘導的宿主表觀基因組變化研究闡明了表觀基因組和微生物組互作的潛在機制（圖2），尤其在致病背景下。微生物代謝物（如短鏈脂肪酸,SCFA）和蛋白質（如毒力因子）可以作為表觀遺傳效應因子，通過腸上皮界面影響宿主的基因表達和表觀遺傳編程。腸上皮由各種各樣的腸上皮細胞（IEC）組成，與粘液層共同作為宿主-腸道微生物互作的第一物理線，并將微生物信號傳遞給宿主。微生物引起的表觀遺傳變化包括DNA和組蛋白修飾、染色質可及性和非編碼RNA（ncRNA）活性。這些表觀遺傳變化可以改變宿主的轉錄環(huán)境，特別是在IEC中，從而影響不同的分子和細胞響應以及信號通路。
圖2：全基因組表觀基因組-微生物組軸。
短鏈脂肪酸（SCFAs）是研究得最深入的微生物代謝產(chǎn)物之一，SCFAs在宿主生理中起著至關重要的作用，包括通過DNA甲基化和組蛋白修飾影響表觀基因組。SCFAs包括丁酸、乙酸和丙酸，通常由腸道微生物發(fā)酵多糖產(chǎn)生。SCFAs是宿主組蛋白去乙�；福℉DACs）的重要抑制劑，HDACs可以去除組蛋白賴氨酸乙�；鶊F，導致染色質凝縮和轉錄沉默（圖3）。SCFAs還可以影響組蛋白去克羅酰化和�；�，并為組蛋白乙酰轉移酶（HATs）提供供體底物。TET酶對DNA去甲基化至關重要，SCFAs可以影響TET酶活性，如果靶向基因啟動子，通常會增加基因轉錄。其他微生物產(chǎn)物（B族維生素、葉酸和蛋氨酸等），通過生成S-腺苷甲硫氨酸（SAM），作為DNA甲基轉移酶（DNMTs）和組蛋白甲基轉移酶（HMTs）的底物，充當甲基和乙酰供體。一些研究發(fā)現(xiàn)微生物組介導的全基因組DNA甲基化（即甲基化組）和IECs（腸上皮細胞）中組蛋白乙�；阶兓�。
圖3：宿主表觀基因組和腸道菌群之間互作的潛在機制。
在慢性炎癥性腸�。↖BD）患者與健康對照組之間觀察到全基因組DNA甲基化的顯著差異，包括宿主抗菌基因表達增加，這與在小鼠（Mus musculus）中觀察到的情況相似。此外，某些以腸桿菌科和擬桿菌屬成員為主的微生物組與免疫相關標記的甲基化變化和細胞因子產(chǎn)生增加有關。在無菌斑馬魚（Danio rerio）幼蟲中，未表征共生菌（實驗室自然發(fā)生）的定植通過染色質修飾誘導促炎和抗病毒基因表達。
非編碼RNA（ncRNA）參與轉錄和轉錄后水平的基因表達調控。microRNA（miRNA）和長鏈非編碼RNA（lncRNA）對不同腸道菌群和微生物代謝產(chǎn)物的響應中表現(xiàn)出差異表達，這在無菌、單菌群定植和常規(guī)飼養(yǎng)的小鼠中都有觀察到。盡管這種調控機制尚不清楚，但ncRNA正成為宿主對多微生物組相關病理響應（如肥胖和癌癥）的重要調控因子。外膜囊泡中包含的細菌 ncRNA 也是宿主表觀基因組的調控因子。此外，飲食中的ncRNA可以影響腸道菌群和宿主基因表達。
微生物組衍生配體可以影響轉錄因子結合（如抑制宿主對炎癥的基因調控應答）。Davison等人發(fā)現(xiàn)斑馬魚微生物組抑制轉錄因子肝細胞核因子4（HNF4）的結合，HNF4調控膽汁酸產(chǎn)生，可能導致IBD發(fā)展。此外，飲食成分可以調控微生物代謝和微生物組誘導的表觀遺傳變化的底物可用性，從而影響宿主健康。然而，大多數(shù)微生物代謝產(chǎn)物對宿主表觀基因組組的影響尚未得到驗證。
腸道菌群的宿主表觀遺傳調控
越來越多的證據(jù)揭示理解宿主表觀遺傳因子如何構建微生物組構成的重要性。然而，很難理清宿主表觀遺傳學、基因表達和微生物組相關性的潛在因果關系。例如Schaible等人表明，富含甲基供體的飲食可以同時誘導小鼠特定位點的宿主DNA甲基化和腸道菌群變化，但沒有進一步探索因果關系。然而，實驗研究表明宿主表觀遺傳學和基因表達的差異可以導致微生物組變化，揭示了宿主-微生物互作的雙向軸。
這些實驗研究揭示一系列對微生物組有影響的宿主蛋白。Alenghat等人證明，在IECs（腸上皮細胞）中去除組蛋白去乙�；�3（HDAC3）的小鼠敲除模型中，表現(xiàn)出抗菌基因表達減少、腸道屏障功能喪失以及腸道菌群構成變化，其中變形菌門（Proteobacteria）水平增加，表明影響微生物組反饋信號包括宿主表觀遺傳和轉錄通路的協(xié)調響應。IECs中HDACs表達調控淋巴細胞活性和抗菌肽（AMPs）產(chǎn)生，作為對細菌感染的免疫響應，可以維持腸道屏障功能（圖3）。Eshleman等人揭示了微生物產(chǎn)生的丁酸在小鼠和小腸類器官中抑制IECs中HDAC3的反饋回路。HDAC3抑制阻礙了上皮（簇狀）細胞發(fā)育，破壞對蠕蟲病原體感染的下游免疫細胞和細胞因子響應。幾種sirtuin蛋白也去乙�；M蛋白，如腸道中SIRT1缺失小鼠顯示出腸道菌群變化，導致腸道炎癥增加或減少，需要進一步探索SIRT1和HDAC3等基因是否通過組蛋白去乙�；蛱娲鷻C制與微生物組互作。在果蠅（Drosophila melanogaster）中，敲除染色質重塑因子CHD1會增加腸道中AMPs表達，并導致腸道屏障功能受損，結果出現(xiàn)菌群失調。類似實驗中，敲除轉錄調控免疫基因的組蛋白去甲基化酶KDM5，也導致腸道屏障功能障礙和菌群失調。在小鼠中，敲除染色質reader蛋白斑點蛋白140（SP140）導致了菌群失調和AMP表達失調。
腸道衍生的免疫系統(tǒng)分子（包括AMPs、細胞因子和分泌性免疫球蛋白）是真核宿主先天免疫響應和防御病原體的重要組成部分，其可以促進共生微生物的耐受性，從而維持腸道穩(wěn)態(tài)。AMPs通常專門靶向微生物膜，以破壞、包裹或穿透，導致抑制或殺死細菌、真菌或包膜病毒。AMPs還激活免疫細胞并刺激細胞因子產(chǎn)生（圖3），宿主對AMPs、抗炎細胞因子和免疫球蛋白抗體的表達可以響應微生物抗原，但也可以響應SCFA產(chǎn)生，如豐富的免疫球蛋白A結合到細菌表面的特定抗原上，實現(xiàn)調控性覆蓋。這些宿主衍生分子因此直接調控微生物組多樣性和豐度，可能是許多觀察到但尚未表征的宿主表觀遺傳變化和腸道菌群之間關聯(lián)的基礎。
其他例子顯示外源性應激如何通過宿主基因組的表觀遺傳變化影響微生物組。Cortese等人用糖皮質激素處理懷孕小鼠，改變了DNA甲基化，導致調節(jié)腸道屏障功能的緊密連接和Toll樣受體相關通路的基因表達變化，進而介導后代微生物組變化。Hansen等人揭示致病性皮膚感染誘導大西洋鮭魚（Salmo salar）腸道組織DNA甲基化差異，從而影響腸道菌群構成。研究還表明同一水箱中健康魚的微生物組保持穩(wěn)定，表明病魚中的微生物組變化由與免疫功能和粘液分泌相關的宿主表觀遺傳響應引起。此外，Brealey等人表明，與鮭魚腸道絳蟲感染相關的細菌定植與鮭魚基因組中幾個lncRNAs的遺傳變異強相關。這些lncRNAs可能通過調控基因表達或免疫應答參與宿主對腸道菌群調控。
Liu等人發(fā)現(xiàn)，宿主衍生的miRNAs可以從IECs中以細胞外囊泡（外泌體）形式釋放到腸道腔中，進入細菌后直接干擾微生物的基因表達和生長。此外，糞便miRNA移植恢復了IEC特異性敲除miRNA處理酶Dicer的失調小鼠的腸道菌群。與AMPs或免疫活性的表觀遺傳調控相比，ncRNAs允許宿主通過靶向特定細菌和基因轉錄本直接以高特異性調控微生物組。多個ncRNAs也調控腸道屏障，如通過與緊密連接蛋白的表達互作用（在IBD患者中觀察到）。
表觀基因組-微生物組軸是否介導共生體特征的快速適應性進化？
表觀基因組構成微生物組與宿主基因表達之間的動態(tài)界面，可以作為對環(huán)境變化或病原體內在生理響應的感應因子或觸發(fā)因子。宿主表觀基因組和其微生物組都加入了環(huán)境誘導的變異，并且可能對外源性應激源做出快速響應。如在雞（Gallus gallus）身上進行的關于體重差異的人工選擇導致與微生物組相關的差異甲基化、基因表達和miRNA譜，表明雞的表觀基因組和微生物組的聯(lián)合適應性響應。利用最新測序技術進展，范圍可以擴展到包括宏基因組的表觀遺傳修飾，即共生體表觀基因組。微生物組可以被視為具有對宿主表型短暫和跨代表觀遺傳效應的“表觀遺傳現(xiàn)象”。微生物組介導基因-環(huán)境互作能力表明其是適應性變異來源。提高對這些非遺傳因子（微生物組和表觀基因組）對表型可塑性和適應潛力貢獻的認識，將改善對宿主-微生物關系（共同）進化以及一般適應性進化的理解。
微生物組影響宿主的適應性，但在不同物種間的影響程度不同。此外微生物組和宿主表觀基因組的跨代遺傳大小和模式在不同物種間尚不清楚，并且很少有一般性模式被描述。但人們越來越認識到，進化不僅通過宿主基因組的變化發(fā)生，還通過宏基因組和微生物組變化發(fā)生。此外，表觀遺傳變化可能在驅動表型可塑性、影響突變率從而影響基因組進化，以及潛在地印記過去的微生物接觸中發(fā)揮重要作用。表觀基因組-微生物組軸的實現(xiàn)表明，宿主-微生物組互作有可能在宿主中誘導表觀遺傳變化，這些變化可能影響微生物特征的快速適應，從而影響宿主對環(huán)境變化的適應性。
表觀基因組-微生物組軸的新興技術
生物技術的發(fā)展為實驗性地檢測表觀基因組-微生物組軸的潛在機制提供巨大潛力。截至目前，無菌或定植動物模型已被用來有效地推斷微生物組對宿主表觀基因組的影響。然而，宿主通過表觀遺傳變化直接和可逆地調控其微生物組構成和活性的潛力在表觀遺傳學的實驗研究中很少被探索。
CRISPR/Cas系統(tǒng)可以簡單使用小的導向RNA（gRNA）來定位特定DNA位點，Cas核酸酶可以在這些位點切割DNA鏈，以引入突變或插入。切割后依賴復雜的內源性DNA修復機制是脫靶效應的一個關注點。在Cas蛋白的兩個核酸酶域引入突變，可以創(chuàng)建催化失活（dCas）版本，利用CRISPR系統(tǒng)的特異性而不修飾DNA序列。將dCas與各種表觀遺傳效應子（基因調控蛋白，例如DNMTs或HMTs）融合，允許通過如DNA（去）甲基化或組蛋白（去）乙�；瘉斫档突蛟黾愚D錄。該融合蛋白（或編碼該蛋白的mRNA）可以與一個或多個gRNA結合注入細胞或胚胎，允許通過靶向基因啟動子等位點特異性DNA甲基化來穩(wěn)定（有絲分裂遺傳）但可逆地編程基因表達，從而直接分析微生物組中特定位點的表觀遺傳變化的功能和因果關系（圖4）。
圖4：使用表觀遺傳工程操縱微生物特性
全基因組利用CRISPR/Cas技術研究宿主基因對微生物組的影響，可以通過表觀遺傳工程進一步擴展。然而，主要挑戰(zhàn)包括為不同物種和組織中的不同表觀遺傳機制優(yōu)化dCas結構體。此外，識別對微生物組有重大影響的一個或幾個候選基因、位點和表達模式，或開發(fā)用于探測表觀遺傳組中許多位點的表觀遺傳篩選，是尚未解決的任務。
CRISPR/dCas系統(tǒng)的多功能性和可行性設計選擇意味著其正在超越其他表觀遺傳工程工具，包括鋅指蛋白和轉錄激活因子樣效應子陣列�；贛orpholino基因沉默，暫時阻斷靶向mRNAs翻譯，不會導致可遺傳的表觀遺傳突變，但可能在特定的發(fā)育時間點誘導持久的基因表達變化。也有可能采用更簡單但高通量的方法，如熱處理、飲食或其他生理化學變化，來刺激（表觀遺傳和微生物組之間的）相互作用。這些方法可以用來研究早期生活中的腸道發(fā)育和微生物定植。
Yang等人最近創(chuàng)建了轉基因小鼠，以誘導雙鏈DNA斷裂和最小突變的修復，加速衰老過程，包括增加基于DNA甲基化的表觀遺傳年齡和染色質狀態(tài)重塑。盡管需要遺傳改造，但這個實驗模型重現(xiàn)了衰老過程中觀察到的表觀遺傳失調，因此可以用來揭示將表觀基因組和微生物組變化與年齡聯(lián)系起來的功能通路。衰老研究可能代表未被探索的資源，用于探索這兩個潛在相互聯(lián)系的衰老標志如何互作。
這些實驗技術必須與技術相結合，以解決全基因組范圍內的甲基化組、組蛋白修飾和染色質組織，以及各種ncRNA分析方法。然而，解決一種或幾種類型的表觀遺傳修飾通常不足以闡明完整的表觀遺傳組-轉錄組-蛋白質組-代謝組譜（圖2），表明需要綜合的全基因組方法。以前的微生物組研究使用16S核糖體RNA進行微生物分析，僅限于對微生物組構成的描述性特征，對微生物組功能理解有限。然而，非靶向宏基因組學和新的靶向測序方法可以提供改進的宿主-微生物互作的機制視角。與側重于特定基因和分類群的擴增子測序方法不同，宏基因組學提供了宏基因組的全面描述。重建宏基因組組裝的基因組可以更深入地分析微生物的分類、遺傳和代謝多樣性。結合宏轉錄組學、非靶向（宏）代謝組學和高通量細菌培養(yǎng)組學，為宿主-微生物組關聯(lián)提供詳細的功能解釋。
利用表觀基因組-微生物組軸改善健康和畜牧業(yè)生產(chǎn)
通過益生元、益生菌和抗生素或糞便微生物移植來修飾微生物組的一般方法，可能由于個體在（表觀）基因型上的差異以及缺乏靶向特定微生物特征的目標而效率不高。與其靶向微生物組，不如靶向宿主微生物組調控機制，可能為預防或治療微生物組引起的疾病或由于表觀遺傳失調引起的菌群失調提供新的精準醫(yī)療。大多數(shù)表觀遺傳變化可逆，使其成為（化學）治療干預和個性化醫(yī)療的有趣目標。靶向表觀遺傳修飾的藥物（表觀藥物），如通過抑制DNA甲基轉移酶（DNMTs，如阿扎胞苷及其衍生物地西他濱）或組蛋白去乙�；福℉DACs，如羅米地新）已在某些癌癥治療中使用。與能夠誘導特定（潛在可遺傳）表觀遺傳突變的CRISPR/dCas工具相比，表觀藥物是廣泛調控表觀基因組-微生物組軸的候選藥物，表觀遺傳工程也可以考慮用于臨床目標，靶向微生物組失調介導的胃腸道疾病，DNA甲基化差異經(jīng)常介導遺傳易感性。這類疾病包括炎癥性腸病和壞死性小腸結腸炎，代謝性疾病如糖尿病和肥胖，神經(jīng)系統(tǒng)、自身免疫和炎癥性疾病，結直腸癌和胃癌，早期干預可能特別有效。但在畜牧業(yè)和野生動物中，缺乏對表觀基因組-微生物組互作的認識和研究。表觀遺傳工程可能作為一種新穎的替代方法，用于改善與生產(chǎn)動物生長、生存和減輕壓力相關的有益微生物特征（圖4）。
結論和未來展望
腸道菌群是影響宿主基因表達的表觀遺傳效應因子。然而，宿主也能夠通過例如影響免疫基因、抗菌肽（AMPs）或腸道屏障功能的組蛋白和DNA修飾來影響腸道菌群，并通過可能影響微生物基因表達的非編碼RNA（ncRNAs）（圖3）。然而，關于宿主衍生代謝物如何影響微生物組的知識還很少，許多瞬時產(chǎn)生的ncRNAs功能尚不清楚，表明未來研究重點應放在綜合宿主-微生物組互作的功能雙向通路上，這些通路是宿主調控腸道菌群的基礎。
一些研究表明，宿主對腸道菌群動態(tài)（可逆）表觀遺傳調控的重要組分通過調控與腸道屏障保護相關的基因或通路來實現(xiàn)。除了營養(yǎng)轉運，腸道屏障在病原體防御和維持健康腸道菌群的穩(wěn)態(tài)中至關重要。此外，菌群失調可以導致或由腸道屏障完整性破壞引起炎癥。闡明宿主對感染的表觀遺傳應答和腸道屏障通透性的表觀遺傳調控預示研究表觀基因組-微生物組軸的重要性。大多數(shù)當前研究限于無菌、定植、敲除、移植或用抗生素處理的實驗室動物模型，對于在養(yǎng)殖或自然條件下的大型、非近交動物，包括人類表觀基因組-微生物組互作知之甚少。此外由于大多數(shù)研究集中在腸道菌群的細菌成分上，宿主表觀基因組如何與病毒組和真菌組，或其他組織的微生物組互作，也基本未知。因此建議通過雙向表觀基因組-微生物組軸的視角重新審視全生物體生理學，包括微生物特征與宿主健康之間的關聯(lián)，引發(fā)一些新的研究問題和機會。
參考文獻：
Pepke ML, Hansen SB, Limborg MT. Unraveling host regulation of gut microbiota through the epigenome-microbiome axis. Trends Microbiol. 2024 Jun 4. pii: S0966-842X(24)00137-9. doi: 10.1016/j.tim.2024.05.006. PubMed PMID: 38839511.
標簽：
DNA甲基化
Copyright(C) 1998-2024 生物器材網(wǎng) 電話：021-64166852;13621656896 E-mail：info@bio-equip.com