細菌代謝產物對過敏性疾病的表觀調控

凌詩琪，姚煦

近年來，菌群及其代謝產物對過敏性疾病的調控作用受到了持續(xù)關注。皮膚擁有體內最多樣化的共生群落，有來自19個門超過1 000種細菌[1]。在生命不同階段以及身體不同區(qū)域，皮膚表面具有不同的微生物群落組成[1-3]。皮膚菌群代謝產物包括短鏈脂肪酸(short chain fatty acids，SCFAs)、卟啉、吲哚-3-醛、6-N-羥基氨基嘌呤等，其中常見的SCFAs包括乙酸、丙酸、丁酸等[4-7]。上皮屏障、免疫防御和皮膚微生物及其代謝產物之間的相互作用已成為維持健康與疾病平衡的關鍵。哺乳動物的腸道內有著數(shù)萬億微生物[8]，而腸道微生物對宿主代謝和免疫力的調節(jié)主要取決于腸腔和上皮表面之間小分子(代謝產物)的交換。大多數(shù)腸道菌群代謝產物通過飲食依賴性或飲食非依賴性途徑產生。依賴飲食的微生物代謝產物包括但不限于SCFA、次級膽汁酸、吲哚和吲哚衍生物；不依賴飲食的微生物代謝產物由腸道微生物從頭合成，包括脂多糖和肽聚糖等[9]。這些菌群及其代謝產物的組成、變化在過敏性疾病的發(fā)生中起著重要作用。過敏性疾病發(fā)病率的增加與注重衛(wèi)生、接觸微生物不足以及西方飲食習慣等多種因素相關[10]。值得注意的是，這些因素可以通過改變表觀遺傳密碼對細胞穩(wěn)態(tài)發(fā)揮作用[10]。表觀遺傳是指在不改變核苷酸序列的情況下，為了便于記錄、發(fā)出信號或使持續(xù)改變的活動狀態(tài)永久化，染色體區(qū)域發(fā)生的結構性適應[11]。表觀遺傳修飾包括DNA甲基化、翻譯后組蛋白修飾、核小體定位以及小而長的非編碼RNA等[12]。表觀遺傳修飾與過敏性疾病的關系近來備受關注。菌群代謝產物可以通過表觀遺傳修飾，即表觀調控等多種機制影響細胞穩(wěn)態(tài)、免疫細胞分化和極化[11]，這也許對預防過敏性疾病的發(fā)生具有重大的臨床意義。下面以表觀調控機制中研究相對充分的組蛋白乙酰化、DNA甲基化及microRNA(miRNA)調控為例，就菌群代謝產物對過敏性疾病的表觀調控方式進行綜述。

1 蛋白質乙酰化

蛋白質的乙?；?963年就已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，但直到近20年才開始為人們所重視，其中最常見的是組蛋白的乙酰化[13]。組蛋白是一種高度堿性的球狀小蛋白質，具有從核小體核心顆粒突出的靈活的N末端，容易受到翻譯后修飾(post translational modifications，PTMs)的影響[14]。與DNA甲基化相似，翻譯后組蛋白修飾不影響DNA核苷酸序列[15]。組蛋白PTMs具有多種形式，包括乙?；?、甲基化、磷酸化和泛素化等[15]。其中組蛋白乙?；c過敏性疾病的研究報道最多見。組蛋白乙?；芍泻蛶д姾傻馁嚢彼釟埢?、打開染色質促使DNA更容易與其他蛋白因子接觸[14]。組蛋白乙酰轉移酶和組蛋白去乙?；?histone deacetylase,HDACs)可以靶向許多其他蛋白質，包括一些與過敏性疾病密切相關的轉錄因子，如GATA-3(GATA binding protein 3，GATA結合蛋白3)、FOXP3(Forkhead protein 3，叉頭蛋白3)、糖皮質激素受體和NF-κB(nuclear factor κB，核因子κB)等[12]。Vidali等[16]首先證明了組蛋白在賴氨酸殘基的ε-氨基上被乙酰化，隨后又進一步提出丁酸鹽是HDACs的抑制劑，第一次表明了小分子物質可以通過表觀遺傳修飾改變細胞功能。

過敏性疾病患者中部分細菌發(fā)生了改變，例如梭菌屬(Clostridia)和硬壁菌(Firmicutes)[17]。梭狀芽胞桿菌通過產生具有表觀遺傳活性的免疫調節(jié)分子(如SCFAs)抑制HDACs，增強組蛋白H3在啟動子和Foxp3基因座保守非編碼序列的乙酰化，促進Treg細胞(regulatory T cells，調節(jié)性T細胞)極化，抑制過敏反應[18]。在過敏性炎癥小鼠模型中，丁酸通過抑制HDACs抑制2型先天淋巴樣細胞的增殖，并減少促炎性Th2型細胞因子以及GATA-3的表達[19]。表皮葡萄球菌通過發(fā)酵甘油產生乙酸及丁酸，后者通過抑制HDACs調節(jié)基因的表達，而丁酸衍生物BA-NH-NH-BA，同樣作為一種HDACs抑制劑，通過誘導人角質形成細胞中組蛋白H3賴氨酸9(AcH3K9)的乙?；l(fā)揮作用。BA-NH-NH-BA可以降低AD(atopic dermatitis，特應性皮炎)患者中金黃色葡萄球菌誘導的促炎白細胞介素6的產生，并顯著降低金黃色葡萄球菌在小鼠皮膚中的定植，從而改善AD癥狀[20]。 SCFAs水平的降低與過敏性疾病有關，增加SCFAs水平可以抑制HDACs，增加p70 S6激酶的乙?；蛂S6的磷酸化，調節(jié)Th17、Th1和IL-10+T細胞生成所需的mTOR途徑，進而改善呼吸道上皮屏障功能并減輕疾病癥狀[21]。而與之相反的是，有學者發(fā)現(xiàn)皮膚常駐菌痤瘡丙酸桿菌在無氧環(huán)境中產生的丙酸和戊酸通過抑制角質形成細胞HDAC8和HDAC9的活性，提高TLR2/6(Toll like receptor,Toll樣受體)介導的炎癥因子的表達，破壞表皮的免疫耐受[22]。除上述SCFAs外，支鏈脂肪酸(異丁酸、異戊酸)、酚類化合物(苯丁酸、苯乙酸、苯丙酸)、硫化氫等多種菌群代謝產物也參與HDACs的調控[23]。組蛋白乙?；嵌喾N細菌代謝產物對過敏性疾病進行表觀遺傳修飾的主要方式，加快其臨床轉化應用有望改善過敏性疾病的治療現(xiàn)狀。

2 DNA甲基化

DNA甲基化是目前研究最充分的一種表觀遺傳修飾形式。苯乙酸、4-羥基苯甲酸酯、硫化氫、維生素B2、B9、B12、膽堿、甜菜堿、α-酮戊二酸、葉酸等細菌代謝產物可通過調節(jié)DNA甲基化來調控宿主的染色質狀態(tài)和功能，從而調控其生理和健康狀況[23]。 Petrus等[24]發(fā)現(xiàn)牛奶過敏患者存在DNA高甲基化。另外，一些環(huán)境因素如產前母親吸煙或產前產后的空氣污染等也會導致與過敏性疾病有關的DNA甲基化[25-26]。過敏性疾病患者的EWAS(epigenome-wide association study，全表觀基因組關聯(lián)研究)表明DNA甲基化特征可以將過敏患者(季節(jié)性過敏性鼻炎)與健康對照受試者分開，并且與基因表達特征相比有著更高的辨別能力[27]。因此，DNA甲基化可以作為過敏性疾病的一種早期檢測手段或者診斷技術。 Paparo等[28]對30例牛奶過敏兒童進行的一項雙盲、安慰劑對照、口服激發(fā)試驗發(fā)現(xiàn)，鼠李糖乳桿菌可以通過重塑腸道菌群使產丁酸細菌大量增殖，丁酸進一步抑制HDAC 9/6的活性，導致Foxp3的去甲基化。而抗原特異性Treg細胞是誘導和維持對抗原的耐受性所必需的。對FOXP3特異性Treg細胞去甲基化區(qū)域(TSDR)的去甲基化，則是穩(wěn)定維持Treg細胞抑制特性的先決條件[29]。Worthley等[30]發(fā)現(xiàn)SCFAs濃度與LINE-1的DNA甲基化程度成正相關，而后者影響直腸黏膜上皮細胞的增殖。目前關于菌群代謝產物通過DNA甲基化表觀調控過敏性疾病的研究較少，仍需要更多更深入的研究闡釋其作用及機制。

3 miRNA調控

miRNA是小的非編碼RNA分子，是通過阻斷mRNA翻譯和/或通過與mRNA的39個非翻譯區(qū)完全結合或錯配結合來改變mRNA的穩(wěn)定性、轉錄后調節(jié)基因表達的核苷酸[31]，對免疫細胞的發(fā)育、分化、成熟和活化，以及氣道重塑和過敏及炎癥性疾病患者功能失調起關鍵作用[32]。

目前，部分研究已經(jīng)表明了一些miRNA的表達可以區(qū)分不同的哮喘亞型及疾病的嚴重程度，如miR-26a、Let-7a和 Let-7d與哮喘呈負相關，而miR-1248則與之呈正相關,其中miR-629-3p,miR-223-3p和 miR-142-3p在重度哮喘中顯著升高，未來有望將其用于疾病的風險分層[33-35]。腸道菌群-miRNA相互作用包括兩個過程：一是宿主分泌的miRNA調節(jié)腸道菌群；二是腸道菌群通過誘導特定miRNA影響宿主[36]。菌群代謝產物，包括葉酸、酚酸、S-(2)雌馬酚、尿石素、異硫氰酸酯以及短鏈和長鏈脂肪酸等，可以通過調節(jié)let-7d, miR-15b、miR-107、miR-191、 miR-324、miR-215等多種miRNA的表達水平來表觀調控機體健康[37]。其中，腸道菌群通過TLR / MyD88依賴性機制負調控miR-10a的表達，后者通過調節(jié)樹突狀細胞中IL12/IL-23p40的表達來維持腸道穩(wěn)態(tài)[38]。食物通過腸道菌群代謝產生的丁酸及脂質等代謝產物可通過調控miR-106b、miR-24、miR-let-7a、miR-17-92a、miR-107等多種不同miRNA來調節(jié)細胞周期進程及凋亡[36]。Vaher等[39]在AD患者皮損和增殖性KC中發(fā)現(xiàn)miR-10a-5p表達上調，可能通過作用于透明質酸合酶3(一種與損傷相關的KC遷移和增殖的正向調節(jié)劑)及MAP3K7來抑制細胞增殖及下調炎性因子。miR-146a可能通過直接影響B(tài)細胞發(fā)育及Th1 /17型細胞介導的免疫反應而影響MC903誘導的AD樣小鼠模型皮損中IgE的產生[40]。另外miR-155、miR-203和miR-483-5p等也在AD中存在差異表達[41]。皮損區(qū)表觀遺傳學改變是否以及在多大程度上影響AD的復發(fā)及疾病嚴重度，仍有待進一步探索。而miRNA在改善過敏性疾病癥狀上的治療潛力也值得深入研究。

4 總結

除了上文提及的甲基化、乙酰化、組蛋白修飾和miRNA調控之外，表觀調控還包括脂肪?；?，ADP-核糖基化等調控方式[12, 14]。對上述這些表觀遺傳修飾小分子的研究，揭示了表觀基因組編輯在過敏性疾病中的潛在應用。除了HDACis (histone deacetylase inhibitors，組蛋白脫乙?；敢种苿?或 HMTis(histone methyltransferase inhibitors，組蛋白甲基轉移酶抑制劑)外,還可以通過靶向性更高的方法如CRISPR/dCas9系統(tǒng)[10, 42]或反義分子[43]進行干預。其他預防方法還包括營養(yǎng)[44]、甚至是生物物理干預[45]。將來可能還會開發(fā)基于表觀遺傳模式/特征的過敏性狀的診斷/預后工具[46-47]。細菌代謝產物與宿主表觀遺傳機制相互作用的確切細胞和分子途徑仍然有待進一步探索。另一個值得深入的研究領域可能是益生菌如何改變腸道菌群及其作為表觀遺傳修飾劑如何發(fā)揮調控作用。細菌代謝產物對于過敏性疾病的表觀調控作用還有著巨大的探索空間，研究者們還需要更多更深入的研究來促進其臨床應用。