Mol Cell?|?腸道微生物通過調(diào)控非編碼DNA重塑肝臟基因表達(dá)

撰文 | 格格

肝細(xì)胞中的順式調(diào)控元件（CREs）是基因表達(dá)調(diào)控的核心，通過結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子將胞外信號轉(zhuǎn)化為特定的基因調(diào)控程序【1】。由于肝臟轉(zhuǎn)錄組對外界環(huán)境高度敏感，其需要精密的基因表達(dá)調(diào)控來維持代謝與生理穩(wěn)態(tài)【2】。 當(dāng) 這一調(diào)控失衡時，會與非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）、脂肪性肝炎（MAFLD）及肝細(xì)胞癌（HCC）等肝臟疾病密切相關(guān)【3-5】。近年來，腸道菌群失調(diào)已被確認(rèn)為影響肝臟疾病發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵因素。菌群可通過DNA甲基化、組蛋白修飾等表觀遺傳機(jī)制調(diào)控肝臟基因表達(dá)、免疫反應(yīng)及代謝通路。然而，盡管腸道菌群與肝臟疾病之間的關(guān)聯(lián)日益明確，其具體的分子機(jī)制仍不清楚。

近日 ， 來自新加坡科技研究局基因組研究所 的Poshen B. Chen研究團(tuán)隊(duì)在Molecular Cell雜志發(fā)表題為Gut microbiota modulation of regulatory DNA elements revealed by massively parallelfunctional characterization的研究論文， 該研究旨在通過大規(guī)模功能分析技術(shù)，系統(tǒng)地研究肝臟細(xì)胞中順式調(diào)控元件 (CREs) 的功能，并探究腸道菌群代謝物對肝臟基因調(diào)控的影響，從而揭示腸道菌群與肝臟健康之間的分子機(jī)制。

研究人員首先利用大規(guī)模并行報告基因?qū)嶒?yàn)技術(shù)（MPRA），在體外（HepG2細(xì)胞）和體內(nèi)（SPF小鼠肝臟）對109,386個候選順式調(diào)控元件（CREs）進(jìn)行了系統(tǒng)性功能篩選。體外episomal MPRA鑒定出9,908個激活型CREs和4,692個抑制型CREs。為進(jìn)一步提升可靠性，團(tuán)隊(duì)優(yōu)化了體內(nèi)MPRA參數(shù)，確保了對DNA豐度、RNA及DNA計(jì)數(shù)重復(fù)性的嚴(yán)格控制。通過比較體內(nèi)外fCREs的染色質(zhì)開放性、組蛋白修飾（如H3K27ac）及轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)體內(nèi)fCREs更易受p53調(diào)控，且部分共享CREs在體內(nèi)狀態(tài)下表現(xiàn)出更高的染色質(zhì)開放性和組蛋白修飾水平。這些結(jié)果表明，MPRA能夠高效識別肝臟中真實(shí)活躍的調(diào)控元件。

為了探究腸道菌群對fCREs活性的影響，研究人員比較了無特定病原體（SPF）小鼠與限菌（gnotobiotic）小鼠的體內(nèi)MPRA數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示，腸道菌群信號的缺失導(dǎo)致大量fCREs活性發(fā)生顯著變化。通過計(jì)算差異活性比率，共識別出3,169個活性降低的fCREs和1,286個活性升高的fCREs。這一發(fā)現(xiàn)提示，微生物來源的信號（尤其是代謝物）可能通過調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子活性，進(jìn)而調(diào)節(jié)肝臟中fCREs的功能。

為闡明微生物代謝物如何通過fCREs調(diào)節(jié)肝臟基因表達(dá)，研究人員建立了體外糞便菌群培養(yǎng)體系，提取代謝物處理HepG2細(xì)胞。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，微生物代謝物可顯著改變肝臟基因的表達(dá)模式。進(jìn)一步選取三個與肝臟疾病相關(guān)的靶基因（Sept4、Ctsz和Gdf15），驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)微生物代謝物能同時誘導(dǎo)這些基因的表達(dá)及其對應(yīng)fCREs的活性變化，二者趨勢高度一致。此外，通過循環(huán)肽技術(shù)選擇性抑制厚壁菌門細(xì)菌，發(fā)現(xiàn)該菌群來源的代謝物在調(diào)控肝臟基因表達(dá)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。在單獨(dú)培養(yǎng)的17種常見細(xì)菌菌株中，僅B. xylanisolvens的代謝物能顯著誘導(dǎo)Ctsz基因的表達(dá)，提示不同菌種通過分泌特異性代謝物差異性地調(diào)控宿主基因表達(dá)。

最后，研究人員探索了遺傳變異是否影響fCREs對微生物信號的應(yīng)答。在富含厚壁菌門細(xì)菌代謝物處理的HepG2細(xì)胞中，發(fā)現(xiàn)一個罕見的非編碼變異位點(diǎn)rs553586668。該變異能夠增強(qiáng)fCRE對微生物代謝物的敏感性，其機(jī)制可能通過改變局部染色質(zhì)的可及性來實(shí)現(xiàn)。功能驗(yàn)證進(jìn)一步表明，該位點(diǎn)可能通過調(diào)控附近基因的表達(dá)，進(jìn)而影響肝臟的生理功能。

總之，本研究通過大規(guī)模并行報告基因?qū)嶒?yàn)技術(shù)，系統(tǒng)鑒定了肝臟中近11萬個順式調(diào)控元件的功能，證實(shí)腸道菌群來源的代謝物可直接調(diào)控特定調(diào)控元件的活性，進(jìn)而影響肝臟疾病相關(guān)基因的表達(dá)，且這一作用受宿主遺傳變異的修飾。該研究首次揭示了腸道微生物通過直接調(diào)控非編碼DNA調(diào)控元件重塑肝臟基因表達(dá)的分子機(jī)制，為理解菌群-肝臟軸提供了全新的表觀遺傳視角，并為肝臟相關(guān)疾病的菌群干預(yù)和精準(zhǔn)治療提供了潛在靶點(diǎn)。

https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(26)00232-7

制版人： 十一

參考文獻(xiàn)

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