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大家好，這里是專注表觀組學十余年，領跑多組學科研服務的易基因。 抑郁癥、焦慮癥和阿爾茨海默病（Alzheimer's disease，AD）等中樞神經系統（Central nervous system，CNS）疾病會嚴重影響患者的生活質量，并造成重大的經濟和社會負擔。由于其病因不明且復雜，目前治療這些疾病的療效有限。在過去的十年里，腸道菌群已被證明對中樞神經系統的結構和功能表現出直接和間接的影響，影響多種病理通路。除腸道菌群和中樞神經系統之間的直接互作外，腸道菌群及其代謝產物還可以調節表觀遺傳過程，包括DNA甲基化、組蛋白修飾和非編碼RNA調控。本文討論了腸道菌群、表觀遺傳和中樞神經系統疾病之間的三方關系：腸道菌群及其代謝產物在表觀遺傳學水平上影響中樞神經系統疾病的發病機制，可能為開發有效的中樞神經系統病治療策略提供依據。
圖1：提出了腸道菌群與中樞神經系統（CNS）之間的互作機制 表觀遺傳 表觀遺傳是指基因在不改變其DNA序列的情況下可逆和可遺傳的選擇性表達或抑制。表觀遺傳修飾包括DNA甲基化、組蛋白修飾和ncRNA調控。 DNA甲基化 DNA甲基化是表觀遺傳學修飾最重要的機制。最常見的哺乳動物DNA甲基化位點發生在5′-CpG-3′位點。甲基化過程由DNA甲基轉移酶（DNMT）作用于甲基供體S-腺苷甲硫氨酸（SAM）催化。甲基轉移到CpG二核苷酸的胞嘧啶5′-碳共價鍵上，形成5-甲基胞嘧啶。介導DNA甲基化的甲基轉移酶包括DNMT1、DNMT3A和DNMT3B。CpG位點甲基化的氨基酸殘基與染色質致密化有關，而染色質致密化抑制基因轉錄。更具體地說，DNA甲基化通過招募抑制基因表達或轉錄因子與DNA結合的蛋白質來調節基因翻譯、蛋白質功能、RNA加工、細胞發育和分化。 DNA去甲基化與DNA甲基化呈穩態，由TET雙加氧酶 (Ten-Eleven Translocation dioxygenases)介導，催化5-甲基胞嘧啶轉化為5-羥甲基胞嘧啶。后者隨后被氧化為5-甲酰基胞嘧啶和5-羧基胞嘧啶，最后通過堿基切除修復機制恢復為未修飾的胞嘧啶。 通常CpG啟動子區域低甲基化，而非啟動子區域則高甲基化，穩態通過甲基化和去甲基化之間的動態平衡維持。但非啟動子區域的廣泛低甲基化降低了染色體穩定性，導致基因轉錄異常，從而誘導疾病發展。 組蛋白修飾 組蛋白是真核細胞染色質的主要成分，由H1、H2A、H2B、H3和H4亞基組成。一個H2A-H2B四聚體和兩個H3-H4二聚體聚集形成組蛋白八聚體。長度為146–147個堿基對的DNA雙鏈通常包裹在八聚體周圍，形成核小體，即染色質的基本結構單位。組蛋白修飾是指在相關酶的催化下，組蛋白的游離N-端或C-端尾部發生乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化或ADP糖基化修飾。這些修飾可以改變DNA結合組蛋白尾部的電荷和結構，從而改變染色質的空間結構并影響基因表達。 在這些機制中，組蛋白甲基化和乙酰化是最為常見。組蛋白甲基化通常發生在賴氨酸殘基H3和H4，由組蛋白甲基轉移酶（HMT）催化。SAM是組蛋白甲基化的主要甲基供體。組蛋白的賴氨酸殘基可以是單甲基化、二甲基化或三甲基化，以增強或抑制相關基因表達。 組蛋白乙酰化也發生在賴氨酸殘基H3和H4，并受組蛋白乙酰轉移酶和組蛋白去乙酰化酶（HDAC）之間的穩態調控。乙酰化可以減少賴氨酸殘基的正電荷，從而抑制組蛋白尾部與帶負電荷的DNA結合。這種減弱的電荷力使潛在DNA得以暴露，從而增強基因表達。此外，同一賴氨酸殘基可能發生乙酰化和甲基化，導致雙向抑制。 非編碼RNA（ncRNA） 人類細胞含有具有不同功能的多種類型RNA，只有3%的人類RNA編碼蛋白質。大多數非編碼蛋白質的RNA是ncRNA，根據其功能分類為管家型ncRNA和調節型ncRNA。蛋白質編碼RNA包括轉運RNA、核糖體RNA和小核RNA，其參與氨基酸轉運、核糖體形成和前體RNA剪切的易位和剪接過程。小核RNA主要有兩類，長鏈非編碼RNA（lncRNA）（長于200nt）和短鏈ncRNA（短于200nt）。短鏈ncRNA包括microRNA（miRNA）、小干擾RNA和piwi互作RNA。調節型ncRNA可以通過表觀遺傳學機制修飾其他RNA并干擾基因表達。miRNA可以與互補的靶mRNA序列結合，導致靶基因沉默；小干擾RNA在與其靶區結合后介導mRNA降解；Piwi互作RNA與蛋白質Piwi亞家族結合，形成沉默轉座元件的復合體。同時，lncRNA廣泛參與各種細胞活動，包括染色質重塑、轉錄干擾和細胞的物質轉運（substance transport）。 腸道菌群通過DNA甲基化影響中樞神經系統（CNS）疾病進展 多項研究表明，腸道菌群通過DNA甲基化導致某些基因沉默從而影響人類表觀遺傳。這種基因表達抑制可能在病理上促進CNS疾病的發展。盡管腸道菌群如何影響DNA甲基化的細節尚未完全闡明，但某些可能的機制已得到廣泛研究，包括腸道菌群與基因之間的直接互作以及細菌代謝產物的影響。例如，腸道菌群代謝產物通過充當甲基供體或通過與相關酶互作并改變其活性來調節DNA甲基化（圖2）。
圖2：腸道菌群與中樞神經系統互作的主要DNA甲基化通路。 AD：阿爾茨海默病；CNS：中樞神經系統；DNMT：DNA甲基轉移酶；MDD：重度抑郁障礙；PD：帕金森病；SAM：S-腺苷蛋氨酸。 TLRs是調節先天免疫功能和宿主炎癥反應的模式識別受體。Takahashi等人（2011）研究了腸上皮細胞對外部菌群侵襲的不敏感性，發現腸上皮細胞TLR4 5′區域的DNA甲基化顯著高于脾細胞。此外，無菌小鼠的TLR4甲基化水平低于野生型小鼠，表明腸道菌群腸上皮細胞下調TLR4轉錄。參與腸道菌群成分識別的TLR4主要在腦小膠質細胞中表達，并在維持中樞神經系統穩態中發揮關鍵作用。此外，Brown等人（2019）利用BV2細胞系表明了菌群的TLR配體可以上調MHC II和MHC I表達，從而觸發小膠質細胞抗原呈遞。此外，Willis等人（2020）表明，在小膠質細胞缺失模型中，小膠質細胞再生通過IL-6受體介導的白細胞介素（IL）?6反式信號發揮神經保護作用，從而修復和減輕腦損傷引起的認知缺陷。在中樞神經系統疾病中（如AD和PD），促炎細胞因子（包括腫瘤壞死因子(TNF)-α、IL-1β、IL-8和IL-6）的表達增加，可能與小膠質細胞的TLR4依賴性機制相關。同時，黃芩苷可通過PI3K/AKT/FOXO1通路抑制TLR4及其下游信號，改善神經炎癥誘導的抑郁樣癥狀。 腸道菌群通過上調黏附分子RBM14的表達特異性招募DNMT3，從而誘導結腸上皮細胞TLR4甲基化。一項全基因組關聯研究的薈萃分析顯示，TLR4 mRNA水平的增加與心境障礙相關，包括重性抑郁障礙(MDD)和雙相障礙(BD)。之前的一項研究比較了30例MDD患者和29名健康志愿者，發現抑郁癥患者的平均TLR4 mRNA水平高于健康對照組，進一步支持TLR4表達可能是抑郁癥危險因素的觀點。此外，在MDD自殺受害者的大腦中觀察到TLR4 mRNA和蛋白過表達。TLR4甲基化表明腸道菌群、表觀遺傳和CNS疾病之間可能存在聯系。 SAM是一種通用的甲基供體，是參與DNA甲基化反應的主要甲基供體，由哺乳動物細胞的細胞質中的蛋氨酸和ATP通過蛋氨酸循環合成。腸道中的韋氏布勞特菌(Blautia wexlerae)可以產生SAM作為代謝副產物，進而影響宿主DNA甲基化。葉酸和其他B族維生素通過提供甲基作為DNA、RNA或蛋白質甲基化的碳單位，在調節人類表觀遺傳中發揮著重要作用。除了膳食來源的葉酸，結腸中的細菌還可以產生大量的葉酸和其他B族維生素，例如在腸道中發現的兩種常見細菌乳酸桿菌和雙歧桿菌具有合成葉酸的能力。葉酸可以作為甲基供體在腸道中和其他組織中促進細胞DNA甲基化。研究表明，志愿者服用三種益生菌雙歧桿菌菌株后，糞便中葉酸濃度顯著增加。此外，Young等人（2019）報道了PD患者和對照組之間三個大腦區域的DNA甲基化發生了顯著變化，其中與PD發病機制顯著相關的迷走神經背側運動核變化最大。鑒于葉酸引起的甲基化可能具有廣泛影響，菌群可能通過這種表觀遺傳學機制影響PD。 包括乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽在內的短鏈脂肪酸(SCFAs)是結腸細菌發酵的主要代謝產物，也是結腸細胞的重要能量來源。不可消化膳食纖維發酵成短鏈脂肪酸是人體腸道菌群進行的一個重要生物過程。SCFAs可以直接激活G蛋白偶聯受體，抑制HDAC，并發揮腸道屏障和激素功能。SCFAs還可使DNA甲基化，從而調節靶基因表達。郭等人（2022）研究證實，腸道菌群產生的丙酸鹽可以誘導cg26345888位點高甲基化，并抑制與臨床維生素D缺乏密切相關靶基因DAB1的表達。此外，DAB1蛋白是Reelin信號通路的關鍵組成部分，Reelin信號通路與幾種人類大腦疾病有關，包括自閉癥、BD和抑郁癥。 在CNS疾病患者的多個位點檢測到DNA甲基化，尤其是編碼腦源性神經營養因子(brain-derived neurotrophic factor, BDNF)和血清素轉運蛋白溶質載體家族6成員4（(solute carrier family 6 member 4, SLC6A4）的基因在抑郁癥患者的外周組織中高甲基化。腸道菌群可以調節BDNF甲基化，從而影響中樞神經系統疾病發生。在一項對無菌小鼠的研究中，觀察到BDNF mRNA水平較低；此外無菌小鼠皮層和海馬中的BDNF水平低于對照小鼠。同時丁酸鹽（SCFA）可以上調TET-1水平，這與羥甲基化水平增加和BDNF甲基化水平降低相關。丁酸鹽是腸道菌群的共有代謝產物，這可能解釋了腸道菌群對BDNF的作用機制。此外，Song等人（2014）分析了日本工人的BDNF甲基化水平，發現抑郁評分較高的宿主BDNF甲基化水平降低，而職業相關壓力水平較高的宿主則BDNF甲基化水平增加。SLC6A4編碼血清素轉運蛋白5-HTT，該轉運蛋白與宿主應激和MDD風險相關。Kang等人（2013）分析了MDD患者的童年環境、抑郁嚴重程度和SLC6A4甲基化的相關性，發現嚴重抑郁癥狀患者SLC6A4甲基化顯著增加。同樣，在經歷過壓力生活事件的青少年中，SLC6A4甲基化水平更高。 在包括AD和精神分裂癥在內的神經精神疾病中觀察到DNA甲基化水平的變化。因此有理由推測甲基化水平變化可能與腸道菌群有關，但仍需要進一步研究。 腸道菌群通過組蛋白修飾影響CNS疾病進展 腸道菌群還可以通過組蛋白修飾(包括組蛋白氨基酸殘基的甲基化和乙酰化)影響宿主的表觀遺傳學。這些修飾導致構象變化，改變染色質濃縮程度，導致相關基因表達增加或減少。目前，公認的由腸道菌群介導的組蛋白修飾機制包括通過與腸道菌群代謝產物(如SCFAs、B族維生素和SAM)的互作改變組蛋白結構。SCFAs通過抑制HDAC活性導致組蛋白乙酰化水平發生變化。B族維生素和SAM是腸道菌群的代謝產物，可作為良好的甲基供體，直接或間接影響組蛋白甲基化，從而改變其空間結構 (圖3)。
圖3：腸道菌群互作的主要組蛋白修飾通路 CNS：中樞神經系統。BD：雙相情感障礙；DNMT：DNA甲基轉移酶；HAT：乙酰轉移酶；HDAC：組蛋白去乙酰化酶；HMT：組蛋白甲基轉移酶；SCFA：短鏈脂肪酸。 HAT和HDAC分別負責從組蛋白尾部添加或去除乙酰基的酶。在生理條件下，HAT和HDAC維持正常的細胞功能。腸道菌群通過SCFAs和乙酰化作用誘導各種功能。例如Silva等(2018)研究揭示SCFAs可能通過染色質的高乙酰化調節基因表達，從而促進DNA松弛。他們發現丙酸鹽和丁酸鹽抑制牛乳腺上皮細胞中的I類HDAC。此外，Bolduc等人(2017)發現，乙酸鹽通過影響I/II類HDAC活性來增強組蛋白H3和H4的乙酰化，從而將濃縮的染色質轉化為更松弛的結構。最近的一項研究表明，丙酸鹽和丁酸鹽能激活乙酰轉移酶p300; 丙酸鹽和丁酸鹽的快速轉化產生相應的酰基輔酶CoA, 其被p300用于催化自抑制環的自酰基化。這也解釋了組蛋白乙酰化水平的增加。 組蛋白甲基化主要發生在核心組蛋白尾部的賴氨酸和精氨酸殘基，并受HMT和組蛋白去甲基化酶的動態調節。與DNA甲基化類似，組蛋白甲基化可以通過甲基供體SAM進行。在DNA甲基化中，葉酸循環起著關鍵作用。腸道菌群可以通過代謝產物改變組蛋白結構（包括SCFA），從而改變宿主基因表達水平。例如HDAC抑制劑丁酸鹽有效增強了活化小膠質細胞中與IL-10信號轉導子和轉錄激活子（STAT3）信號通路相關的抗炎基因表達，同時抑制關鍵的促炎基因，包括TNF-α、STAT1、NOS2、IL-6和IRF1，從而有助于小膠質細胞的神經保護行為。因此丁酸鹽具有調節小膠質細胞功能和減輕神經炎癥反應的潛力，從而表現出神經保護特性。此外，Klein等人（2019）的一項縱向研究表明，組蛋白H3K9乙酰化增加與tau蛋白水平增加密切相關。tau蛋白過表達會損害神經系統穩態和CNS功能，并且可能是AD的致病成分。Nativio等人（2020）報道，AD和廣泛新皮質病變（Braak V-VI期）患者的大腦樣本顯示出比對照組更高的H3K27和H3K9乙酰化水平，表明組蛋白修飾與AD發生呈正相關。此外在AD的5xFAD小鼠模型中，腸道菌群已被證明通過增加乙酰輔酶a的可用性或通過乙酸鹽釋放抑制HDAC來調節小膠質細胞中的H3K9乙酰化水平。丁酸鹽也被證明可以減輕脂多糖（LPS）誘導的抑郁樣行為。也就是說，丁酸鹽慢性給予會導致組蛋白H3和H4去乙酰化受抑制，從而誘導小鼠海馬中小膠質細胞活化減少，小膠質細胞活化減少有助于減輕LPS誘導抑郁樣行為。除了乙酰化的可能影響外，一項對顳葉皮層的尸檢研究表明，H3K9三甲基化與散發性AD患者異染色質的結構異常有關。 帕金森病（PD）是一種與年齡相關的神經退行性疾病，對認知功能有顯著的負面影響。Toker等人（2021）分析了自發性PD患者和健康人的腦組織，發現PD組中多個組蛋白位點的乙酰化水平升高，其中H3K27表現出最顯著的變化；PD組中H3K27乙酰化的增加在PD相關基因中更顯著，包括SNCA、PARK7、PRKN和MAPT。 除神經退行性疾病外，組蛋白甲基化或乙酰化變化也與BD相關。Cruceanuet等人研究了突觸素基因啟動子區H3K4me3的數量，發現BD中組蛋白修飾標志物顯著增加，與更高的基因表達有關。Gavin等人(2009)報道雙相障礙患者比精神分裂癥患者表現出更高水平的H3K9/K14ac。 腸道菌群通過非編碼RNA影響CNS疾病進展 ncRNA介導的遺傳變化也是表觀遺傳的重要組成部分，是腸道菌群和宿主互作的重要途徑。Aoki等人（2021）發現，48種miRNA在病原體和無菌小鼠結腸中的表達存在顯著差異；大多數基因表達增加了2倍。盡管有明確證據表明腸道菌群通過其代謝產物影響ncRNA表達，但其潛在的分子機制尚不完全清楚。丁酸鹽已被證明失調miRNA表達，并通過相關信號通路誘導細胞凋亡和分化。即丁酸鹽在體外下調c-Myc蛋白表達，隨后降低miR-17-92簇成員miR-92a、miR-17、miR-19a/b和miR-20的表達。 lncRNA是大腦中不可或缺的功能性轉錄調節因子，其表達也受腸道菌群影響。腸道菌群誘導的lncRNA在脾臟和胸腺中也高表達，突出了它們在宿主免疫調節中的作用（圖4）。腸道菌群影響ncRNA表達可能與CNS疾病密切相關。例如，迷走神經刺激通過抑制miR-210來緩解癲癇小鼠的炎癥反應。Tas?delen等人（2022）分析了AD患者和健康參與者血清外泌體miRNA表達，發現患者組miR-204和miR-373表達顯著降低。因此作者認為miR-204和miR-373可以作為AD的潛在生物標志物。此外，miRNA-27a表達在抑郁癥患者血清中下調，在抑郁癥嚙齒動物模型的血清和海馬樣本中下調。小膠質細胞通過分泌可抑制抑郁癥狀的外泌體來轉移miR-146a-5p。此外，Caco-2細胞系（含原代腸道菌群群的人腸道上皮細胞模型）中的miR-124-3p和miR-26b-5p有效下調ACE、AGTR1和ACE2基因表達。同時恢復小鼠海馬中miR-124表達可通過靶向STAT3抑制小膠質細胞活化，并顯著減輕慢性不可預知的輕度應激誘導的抑郁樣行為。小膠質細胞外泌體中miR-124–3p水平增加可減輕反復輕度創傷性腦損傷后神經變性，改善認知功能，其通過靶向RELA/APOE信號通路實現。miR-207直接靶向富含亮氨酸的TLR4互作因子，以抑制星形膠質細胞中的NF-κB信號通路。含有miR-207的自然殺傷細胞來源的外泌體可以緩解小鼠慢性輕度應激的癥狀，并引發抗抑郁活性。
圖4：腸道菌群與CNS互作的ncRNA通路。lncRNA：長鏈非編碼RNA；miRNA：microRNA Zhang等人（2021a）進行的一項臨床實驗表明，輕度認知障礙可能由菌群組成和miRNA表達介導，輕度認知障礙參與者中變形菌(Proteobacteria)和γ-變形菌(γ- Proteobacteria)豐度較高，并與has-let-7g-5p、has-miR-107和has-miR-186-3p表達相關。ncRNA在其他CNS疾病中的作用也得到了有力證據的支持。Yang等人（2021b）發現lncRNA HOXA-AS2表達增加通過與PRC2復合體互作并引起PGC-1α表觀遺傳抑制，在小膠質細胞極化中發揮調控作用，導致神經炎癥的促進，這是帕金森病（PD）的關鍵過程。 結論和展望 未來的研究還應探索腸道菌群在與CNS疾病相關的不同表觀遺傳修飾中的潛在作用，包括DNA甲基化、組蛋白修飾和ncRNA表達。盡管某些分子已經得到很好表征，但缺乏將腸道菌群與表觀遺傳學修飾聯系起來的直接證據。為全面了解腸道菌群、表觀遺傳和CNS疾病發展之間的相互作用，需要進行更深入的基礎研究和臨床研究。相關結果將為CNS疾病的發病機制提供新的視角和見解，為發現新的藥物靶點和開發更有效的療法提供信息。 易基因科技提供領先全面的表觀遺傳學及多組學研究整體解決方案，詳詢易基因：0755-28317900。
參考文獻： Liu T, Du D, Zhao R, Xie Q, Dong Z. Gut microbes influence the development of central nervous system disorders through epigenetic inheritance. Microbiol Res. 2023 Sep;274:127440. pii: S0944-5013(23)00142-8. doi: 10.1016/j.micres.2023.127440. PubMed PMID: 37343494. 相關閱讀： 組學研究：MLL1/DNA低甲基化介導子宮肌層干細胞發育重編程的表觀遺傳機制 |
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