表观遗传学在炎症性肠病中作用机制的研究进展

马玉萍　刘文天



·综述·

表观遗传学在炎症性肠病中作用机制的研究进展

马玉萍刘文天

摘要：炎症性肠病(IBD)包括溃疡性结肠炎(UC)和克罗恩病(CD)，其发病率近年来呈持续上升趋势，但目前发病机制尚不清楚。越来越多的证据表明，表观遗传学改变与IBD的发病有关。表观遗传修饰可以影响相关基因的表达，但不会改变DNA的序列，并被认为是可遗传的。它可能通过饮食、环境和肠道微生物等多方面影响基因表型而参与IBD的发病过程。该文综述了表观遗传修饰在IBD发生中的作用机制，并从表观遗传学角度为诊断和治疗IBD提供新的途径。

关键词：表观遗传学；炎症性肠病；DNA甲基化；组蛋白修饰；非编码RNA

作者单位：300070天津医科大学总医院消化内科

炎症性肠病(IBD)包括溃疡性结肠炎(UC)和克罗恩病(CD)，两者均属于慢性肠道炎性疾病[1-2]。目前认为IBD是全球性多种族共患的疾病[3]，其发病因素较多、病情复杂，发病机制仍不清楚[4-5]。目前普遍认为IBD的发生是由于环境、遗传易感性和异常肠道微生物免疫反应等多种因素之间相互作用，从而导致病理性肠道炎性反应[4]。一些有关表观遗传学改变、微生物致病基因表达调控以及宿主对共生菌反应的研究表明，表观遗传学因素可能是IBD发展中主要的影响因素[6-8]。另有研究发现，表观遗传学修饰对IBD的影响可能通过母体遗传给子代，引起子代表型的改变[9]。

1表观遗传学的概述

“表观遗传学”这一概念首先由Waddington等提出，它包括DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA[10-11]。表观遗传学修饰的重要特征是其可遗传性，母体和子代之间通过有丝分裂遗传，几代之间通过减数分裂遗传。这可以解释具有相同DNA的细胞和机体却有显著的表型差异。此外，饮食和环境因素可能改变表观遗传学调控的程度和范围，因此，表观遗传学的研究可能可以解释生活方式与疾病风险之间的相关性。

DNA甲基化包含胞嘧啶残基的甲基化或羟甲基化[12]，是研究得最普遍的表观遗传学修饰。它是指在DNA甲基转移酶(DNMT)催化下甲基团转移到胞嘧啶的C5位点，形成5-甲基2′-脱氧胞嘧啶核苷(5-mdC)。由于CpG二核苷酸的甲基化是最常见的，因此5-mdC也被称为第五核苷酸。因此，总体DNA甲基化是指总的5-mdC含量的分析，而基因特异性DNA甲基化是对感兴趣的特异基因甲基化的CpG的测定。CpG二核苷酸在基因组中相对集中的特定区域被称为CpG岛，它通常位于基因启动子区。基因启动子区高甲基化与基因沉默或基因失活有关；反之，基因启动子区低甲基化则激活转录，增加基因的表达[13]。DNA甲基化所需的S-腺苷甲硫氨酸(SAM)需要膳食中甲基供体如叶酸、胆碱、维生素B12@等提供。总之，DNA甲基化在哺乳动物的发育和分化中发挥着重要的作用[14]。

翻译后的组蛋白修饰是另一个关键的表观遗传学修饰，最常见的是甲基化和乙酰化，另外还有磷酸化、泛素化和苏素化。组蛋白乙酰化在基因表达调控中具有重要的作用，通常与转录活跃的基因密集区域有关，这一区域被称为常染色质。乙酰基团(COCH3)常通过组蛋白乙酰基转移酶(HAT)加入DNA中，引起染色质松弛而发生基因转录。通过组蛋白去乙酰基转移酶(HDAC)去除乙酰基团可导致染色质压缩而阻止转录。组蛋白乙酰化是短暂的，而且必须由酶活性维持。而组蛋白的甲基化与基因的活化和沉默均有关，它取决于甲基化定位在赖氨酸还是精氨酸，赖氨酸甲基化相对稳定，而精氨酸甲基化是暂时的并可能与炎性反应相关[11,14]。

非编码RNA(ncRNA)是表观遗传学研究的另一领域，依据分子大小分为长RNA(lncRNA)、中等RNA(mncRNA)和小RNA(sncRNA)。sncRNA中包括微小RNA(miRNA)[15]。其中主要是sncRNA能够干扰信使RNA(mRNA)转录，导致其降解[16]，或通过DNA-ncRNA/ncRNA-蛋白质相互作用来调节基因表达[15]。

所有的这些表观遗传学修饰是相互作用的动态过程，实现复杂的基因表达调控。例如，DNA甲基化和组蛋白修饰可以共同调节miRNA的表达，并各自被miRNA所调节[17]。

2表观遗传学与IBD

2.1DNA甲基化与IBD

目前有研究报道，在IBD患者中存在许多基因甲基化异常，如干扰素基因(IFNG)甲基化与IBD(CD或UC)有关，在IBD患者中，结肠黏膜IFNG甲基化水平是升高的，且检测外周血细胞中基因的甲基化水平发现，外周血液T细胞(PBT)IFNG甲基化水平高于结肠黏膜IFNG甲基化水平[18]。DNA甲基化有可能作为检测IBD的生物标志物，但还没有标准的IBD相关基因甲基化数据库[19]。

DNA甲基化依赖于食物中含有的SAM提供甲基团。食物是人类表观基因组一个重要的环境调节器[20]。膳食中叶酸是必须的，因为它不能在体内合成，作为甲基供体的叶酸缺乏可导致DNA低甲基化[13]。母体子宫中DNA甲基化模式能够导致基因表达发生稳定性改变，并且持续在整个生命过程中[21]。一项实验研究发现，在母鼠孕期和哺乳期及子代鼠均予以甲基缺乏饲料(MDD，包括叶酸、维生素B12@和胆碱缺乏)，随后以葡聚糖硫酸钠(DSS)诱导实验性小鼠结肠炎，发现MDD能够加剧子代小鼠实验性结肠炎[22]。另有研究报道，母鼠子宫中低叶酸供给能够降低成年子鼠肠道的总体甲基化水平[23]。进一步研究表明，母鼠叶酸缺乏与子代肠道基因特异性DNA甲基化有因果关系[24]。由此可见，叶酸或其他甲基供体缺乏可能通过DNA甲基化异常(低甲基化)从而诱导IBD，其机制可能通过母体遗传子代。另有研究表明[25]，在DSS诱导的小鼠结肠炎模型中，甲基化抑制物能够抑制细胞和组织甲基化，从而加重结肠炎性反应，而通过补充叶酸增加甲基化可以改善小鼠结肠炎性反应。

2.2组蛋白修饰与IBD

在DSS和2，4，6-三硝基苯磺酸(TNBS)诱导的小鼠结肠炎模型以及CD患者的活检标本中均发现，在炎性组织和集合淋巴结中组蛋白H4(赖氨酸残基8和12位点)存在高乙酰化[26]。组蛋白H1已确定为核周抗中性粒细胞胞质抗体(pANCA)的抗原[27]，pANCA可作为UC主要的血清标志物，也是家族性特征和疾病易感性的标志物。有研究表明，HDAC抑制剂可作为IBD的治疗性化合物。HDAC抑制剂通过增加高乙酰化的组蛋白H3和H4，以细胞特异性和基因特异性的方式调节基因表达。研究发现，HDAC抑制剂具有结肠特异性抗炎作用，表明组蛋白H3的高乙酰化与小鼠实验性结肠炎的改善有关，但仅表现在炎性反应部位[28]。这些结果表明HDAC抑制剂有可能成为IBD的一种有效的治疗方法。

2.3非编码RNA与IBD

miRNA能够严格地控制特异性mRNA的水平，而mRNA水平的轻微改变即可导致所表达蛋白质的合成发生显著变化，因此与IBD相关的miRNA能够作为IBD相关基因表达良好的调节器[29]。有研究发现，miRNA在肠道稳态和免疫功能方面起到重要的作用[30]，其中有11个miRNA的表达改变与UC相关，尤其是miRNA-192[31]。对IBD表观遗传学因素的研究表明，UC患者的结肠黏膜标本与对照组相比，表现出miRNA的差异性表达[32]。另外，对UC患者外周血液的miRNA进行分析，发现特异性miRNA的鉴别有助于区分IBD亚型，这可能成为IBD新的生物标志物[33-35]。

2.4环境的表观遗传学与IBD

越来越多的证据表明，与疾病风险相关的环境因素如饮食、吸烟、酒精摄入、环境毒物及应激等能够改变表观遗传学模式[36]。因此检测有可能导致IBD的环境因子的暴露时间、强度和频率，从而得知环境不利因素对复杂疾病的影响变得尤为重要[37]。表观遗传学因素能够在发病过程中调节基因与环境的相互作用，这种调控在配子形成时已经开始并且持续整个生命过程。对第二次世界大战荷兰饥荒幸存者后代的一项调查研究表明，环境因素能够对表观遗传学产生影响，孕期膳食因素在子代发育早期影响表观遗传学重排，这种影响可持续两代[38-39]。此外，有研究对具有相同基因的小鼠给予甲基供体，然后测定其基因组CpG岛甲基化水平，结果显示环境的改变如甲基供体的补充增加了个体基因组中甲基化变异位点的数量，即表观遗传学变异，而且这种变异在传代中有累积效应。在传代中表观遗传学差异表现在个体与原代之间及个体相互之间，从而增加了表型变异，这可能就是表观遗传学的选择[36]。

2.5肠稳态的表观遗传学与IBD

除了膳食中的抗原成分，胃肠道黏膜长期暴露于共生菌和致病菌抗原成分，因此肠道免疫系统需要不断地调节对各种抗原的耐受和反应从而达到肠稳态。越来越多的研究表明，表观遗传学标志物可能直接对肠道菌群有反应，如人抗菌肽β-防御素2(hBD2)在肠道上皮细胞的表达受组蛋白修饰的调节[40]。这些分子的相互作用和由此产生的表观遗传学修饰可能可以解释为何早期暴露于微生物能够预防免疫介导的疾病如IBD[41]。

3展望

表观遗传学可能为IBD发病机制提供新的线索，但是像遗传学一样，它不可能解决所有未解决的问题，它需要与其他IBD研究中有关的生物分析模式相结合，如转录组学、糖蛋白组学和代谢组学等。表观遗传学方面的研究可能可以为IBD的诊断和治疗提供新的方向。

参考文献

1Chapman-Kiddell CA, Davies PS, Gillen L, et al. Role of diet in the development of inflammatory bowel disease. Inflamm Bowel Dis, 2010, 16: 137-151.

2Lucendo AJ, De Rezende LC. Importance of nutrition in inflammatory bowel disease. World J Gastroenterol, 2009, 15: 2081-2088.

3Molodecky NA, Soon IS, Rabi DM, et al. Increasing incidence and prevalence of the inflammatory bowel diseases with time, based on systematic review. Gastroenterology, 2012, 142: 46-54.

4Danese S, Fiocchi C. Ulcerative colitis. N Engl J Med, 2011, 365: 1713-1725.

5Jenke AC, Zilbauer M. Epigenetics in inflammatory bowel disease. Curr Opin Gastroenterol, 2012, 28: 577-584.

6Schaible TD, Harris RA, Dowd SE, et al. Maternal methyl-donor supplementation induces prolonged murine offspring colitis susceptibility in association with mucosal epigenetic and microbiomic changes. Hum Mol Genet, 2011, 20: 1687-1696.

7Olszak T, An D, Zeissig S, et al. Microbial exposure during early life has persistent effects on natural killer T cell function. Science, 2012, 336: 489-493.

8Takahashi K, Sugi Y, Nakano K, et al. Epigenetic control of the host gene by commensal bacteria in large intestinal epithelial cells. J Biol Chem, 2011, 286: 35755-35762.

9Hamilton JP. Epigenetics: principles and practice. Dig Dis, 2011, 29: 130-135.

10 Van Speybroeck L. From epigenesis to epigenetics: the case of C. H. Waddington. Ann N Y Acad Sci, 2002, 981: 61-81.

11 Gibney ER, Nolan CM. Epigenetics and gene expression. Heredity, 2010, 105: 4-13.

12 Baubec T, Schubeler D. Genomic patterns and context specific interpretation of DNA methylation. Curr Opin Genet Dev, 2014, 25: 85-92.

13 Barnett M, Bermingham E, McNabb W, et al. Investigating micronutrients and epigenetic mechanisms in relation to inflammatory bowel disease. Mutat Res, 2010, 690: 71-80.

14 Orr BA, Haffner MC, Nelson WG, et al. Decreased 5-Hydroxymethylcytosine is associated with neural progenitor phenotype in normal brain and shorter survival in malignant glioma. PLoS One, 2012, 7: e41036.

15 Nie L, Wu HJ, Hsu JM, et al. Long non-coding RNAs: versatile master regulators of gene expression and crucial players in cancer. Am J Transl Res, 2012, 4: 127-150.

16 Aalto AP, Pasquinelli AE. Small non-coding RNAs mount a silent revolution in gene expression. Curr Opin Cell Biol, 2012, 24: 333-340.

17 Kellermayer R. Epigenetics and the developmental origins of inflammatory bowel diseases. Can J Gastroenterol, 2012, 26: 909-915.

18 Gonsky R, Deem RL, Targan SR. Distinct Methylation of IFNG in the Gut. J Interferon Cytokine Res, 2009, 29: 407-414.

19 Karatzas PS, Gazouli M, Safioleas M, et al. DNA methylation changes in inflammatory bowel disease. Ann Gastroenterol, 2014, 27: 125-132.

20 Gallou-Kabani C, Vige A, Gross MS, et al. Nutri-epigenomics: lifelong remodelling of our epigenomes by nutritional and metabolic factors and beyond. Clin Chem Lab Med, 2007, 45: 321-327.

21 Rush EC, Katre P, Yajnik CS. Vitamin B12@:one carbon metabolism, fetal growth and programming for chronic disease. Eur J Clin Nutr, 2014, 68: 2-7.

22 Chen M, Peyrin-Biroulet L, George A, et al. Methyl deficient diet aggravates experimental colitis in rats. J Cell Mol Med, 2011, 15: 2486-2497.

23 McKay JA, Waltham KJ, Williams EA, et al. Folate depletion during pregnancy and lactation reduces genomic DNA methylation in murine adult offspring. Genes Nutr, 2011, 6: 189-196.

24 McKay JA, Wong YK, Relton CL, et al. Maternal folate supply and sex influence gene-specific DNA methylation in the fetal gut. Mol Nutr Food Res, 2011, 55: 1717-1723.

25 Kominsky DJ, Keely S, MacManus CF, et al. An endogenously anti-inflammatory role for methylation in mucosal inflammation identified through metabolite profiling. J Immunol, 2011, 186: 6505-6514.

26 Tsaprouni LG, Ito K, Powell JJ, et al. Differential patterns of histone acetylation in inflammatory bowel diseases. J Inflamm(Lond), 2011, 8: 1.

27 Eggena M, Cohavy O, Parseghian MH, et al. Identification of histone H1 as a cognate antigen of the ulcerative colitis-associated marker antibody pANCA. J Autoimmun, 2000, 14: 83-97.

28 Glauben R, Batra A, Fedke I, et al. Histone hyperacetylation is associated with amelioration of experimental colitis in mice. J Immunol, 2006, 176: 5015-5022.

29 Mukherji S, Ebert MS, Zheng GX, et al. MicroRNAs can generate thresholds in target gene expression. Nat Genet, 2011, 43: 854-859.

30 Mizoguchi A, Mizoguch E. Inflammatory bowel disease, past, present and future: lessons from animal models. J Gastroenterol, 2008, 43: 1-17.

31 Wu F, Zikusoka M, Trindade A, et al. MicroRNAs are differentially expressed in ulcerative colitis and alter expression of macrophage inflammatory peptide-2 alpha. Gastroenterology, 2008, 135: 1624-1635.

32 Wu F, Zhang SM, Dassopoulos T, et al. Identification of MicroRNAs associated with ileal and colonic Crohn′s disease. Inflamm Bowel Dis, 2010, 16: 1729-1738.

33 Chen YW, Ge WS, Xu LM, et al. miR-200b is involved in intestinal fibrosis of Crohn′s disease. Int J Mol Med, 2012, 29: 601-606.

34 Pekow JR, Kwon JH. MicroRNAs in inflammatory bowel disease. Inflamm Bowel Dis, 2012, 18: 187-193.

35 Wu F, Guo NJ, Tian HY, et al. Peripheral blood microRNAs distinguish active ulcerative colitis and Crohn′s disease. Inflamm Bowel Dis, 2011, 17: 241-250.

36 Li CCY, Cropley JE, Cowley MJ, et al. A sustained dietary change increases epigenetic variation in isogenic mice. PLoS Genet, 2011, 7: e1001380.

37 Petronis A. Epigenetics as a unifying principle in the aetiology of complex traits and diseases. Nature, 2010, 465: 721-727.

38 Tobi EW, Lumey L, Talens RP, et al. DNA methylation differences after exposure to prenatal famine are common and timing- and sex-specific. Hum Mol Genet, 2009, 18: 4046-4053.

39 Heijmans BT, Tobi EW, Lumey LH, et al. The epigenome: archive of the prenatal environment. Epigenetics, 2009, 4: 526-531.

40 Yin L, Chung WO. Epigenetic regulation of human beta-defensin 2 and CC chemokine ligand 20 expression in gingival epithelial cells in response to oral bacteria. Mucosal Immunol, 2011, 4: 409-419.

41 López-Serrano P, Pérez-Calle JL, Pérez-Fernandez MT, et al. Environmental risk factors in inflammatory bowel diseases. Investigating the hygiene hypothesis: a Spanish case-control study. Scand J Gastroenterol, 2010, 45: 1464-1471.

(本文编辑：林磊)

(收稿日期：2014-12-30)

通信作者：刘文天，Email: lwentina@sohu.com

DOI:10.3969/j.issn.1673-534X.2015.06.009