细菌代谢产物对过敏性疾病的表观调控

凌诗琪，姚煦

近年来，菌群及其代谢产物对过敏性疾病的调控作用受到了持续关注。皮肤拥有体内最多样化的共生群落，有来自19个门超过1 000种细菌[1]。在生命不同阶段以及身体不同区域，皮肤表面具有不同的微生物群落组成[1-3]。皮肤菌群代谢产物包括短链脂肪酸(short chain fatty acids，SCFAs)、卟啉、吲哚-3-醛、6-N-羟基氨基嘌呤等，其中常见的SCFAs包括乙酸、丙酸、丁酸等[4-7]。上皮屏障、免疫防御和皮肤微生物及其代谢产物之间的相互作用已成为维持健康与疾病平衡的关键。哺乳动物的肠道内有着数万亿微生物[8]，而肠道微生物对宿主代谢和免疫力的调节主要取决于肠腔和上皮表面之间小分子(代谢产物)的交换。大多数肠道菌群代谢产物通过饮食依赖性或饮食非依赖性途径产生。依赖饮食的微生物代谢产物包括但不限于SCFA、次级胆汁酸、吲哚和吲哚衍生物；不依赖饮食的微生物代谢产物由肠道微生物从头合成，包括脂多糖和肽聚糖等[9]。这些菌群及其代谢产物的组成、变化在过敏性疾病的发生中起着重要作用。过敏性疾病发病率的增加与注重卫生、接触微生物不足以及西方饮食习惯等多种因素相关[10]。值得注意的是，这些因素可以通过改变表观遗传密码对细胞稳态发挥作用[10]。表观遗传是指在不改变核苷酸序列的情况下，为了便于记录、发出信号或使持续改变的活动状态永久化，染色体区域发生的结构性适应[11]。表观遗传修饰包括DNA甲基化、翻译后组蛋白修饰、核小体定位以及小而长的非编码RNA等[12]。表观遗传修饰与过敏性疾病的关系近来备受关注。菌群代谢产物可以通过表观遗传修饰，即表观调控等多种机制影响细胞稳态、免疫细胞分化和极化[11]，这也许对预防过敏性疾病的发生具有重大的临床意义。下面以表观调控机制中研究相对充分的组蛋白乙酰化、DNA甲基化及microRNA(miRNA)调控为例，就菌群代谢产物对过敏性疾病的表观调控方式进行综述。

1 蛋白质乙酰化

蛋白质的乙酰化在1963年就已经被发现，但直到近20年才开始为人们所重视，其中最常见的是组蛋白的乙酰化[13]。组蛋白是一种高度碱性的球状小蛋白质，具有从核小体核心颗粒突出的灵活的N末端，容易受到翻译后修饰(post translational modifications，PTMs)的影响[14]。与DNA甲基化相似，翻译后组蛋白修饰不影响DNA核苷酸序列[15]。组蛋白PTMs具有多种形式，包括乙酰化、甲基化、磷酸化和泛素化等[15]。其中组蛋白乙酰化与过敏性疾病的研究报道最多见。组蛋白乙酰化可中和带正电荷的赖氨酸残基、打开染色质促使DNA更容易与其他蛋白因子接触[14]。组蛋白乙酰转移酶和组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase,HDACs)可以靶向许多其他蛋白质，包括一些与过敏性疾病密切相关的转录因子，如GATA-3(GATA binding protein 3，GATA结合蛋白3)、FOXP3(Forkhead protein 3，叉头蛋白3)、糖皮质激素受体和NF-κB(nuclear factor κB，核因子κB)等[12]。Vidali等[16]首先证明了组蛋白在赖氨酸残基的ε-氨基上被乙酰化，随后又进一步提出丁酸盐是HDACs的抑制剂，第一次表明了小分子物质可以通过表观遗传修饰改变细胞功能。

过敏性疾病患者中部分细菌发生了改变，例如梭菌属(Clostridia)和硬壁菌(Firmicutes)[17]。梭状芽胞杆菌通过产生具有表观遗传活性的免疫调节分子(如SCFAs)抑制HDACs，增强组蛋白H3在启动子和Foxp3基因座保守非编码序列的乙酰化，促进Treg细胞(regulatory T cells，调节性T细胞)极化，抑制过敏反应[18]。在过敏性炎症小鼠模型中，丁酸通过抑制HDACs抑制2型先天淋巴样细胞的增殖，并减少促炎性Th2型细胞因子以及GATA-3的表达[19]。表皮葡萄球菌通过发酵甘油产生乙酸及丁酸，后者通过抑制HDACs调节基因的表达，而丁酸衍生物BA-NH-NH-BA，同样作为一种HDACs抑制剂，通过诱导人角质形成细胞中组蛋白H3赖氨酸9(AcH3K9)的乙酰化而发挥作用。BA-NH-NH-BA可以降低AD(atopic dermatitis，特应性皮炎)患者中金黄色葡萄球菌诱导的促炎白细胞介素6的产生，并显著降低金黄色葡萄球菌在小鼠皮肤中的定植，从而改善AD症状[20]。 SCFAs水平的降低与过敏性疾病有关，增加SCFAs水平可以抑制HDACs，增加p70 S6激酶的乙酰化和rS6的磷酸化，调节Th17、Th1和IL-10+T细胞生成所需的mTOR途径，进而改善呼吸道上皮屏障功能并减轻疾病症状[21]。而与之相反的是，有学者发现皮肤常驻菌痤疮丙酸杆菌在无氧环境中产生的丙酸和戊酸通过抑制角质形成细胞HDAC8和HDAC9的活性，提高TLR2/6(Toll like receptor,Toll样受体)介导的炎症因子的表达，破坏表皮的免疫耐受[22]。除上述SCFAs外，支链脂肪酸(异丁酸、异戊酸)、酚类化合物(苯丁酸、苯乙酸、苯丙酸)、硫化氢等多种菌群代谢产物也参与HDACs的调控[23]。组蛋白乙酰化是多种细菌代谢产物对过敏性疾病进行表观遗传修饰的主要方式，加快其临床转化应用有望改善过敏性疾病的治疗现状。

2 DNA甲基化

DNA甲基化是目前研究最充分的一种表观遗传修饰形式。苯乙酸、4-羟基苯甲酸酯、硫化氢、维生素B2、B9、B12、胆碱、甜菜碱、α-酮戊二酸、叶酸等细菌代谢产物可通过调节DNA甲基化来调控宿主的染色质状态和功能，从而调控其生理和健康状况[23]。 Petrus等[24]发现牛奶过敏患者存在DNA高甲基化。另外，一些环境因素如产前母亲吸烟或产前产后的空气污染等也会导致与过敏性疾病有关的DNA甲基化[25-26]。过敏性疾病患者的EWAS(epigenome-wide association study，全表观基因组关联研究)表明DNA甲基化特征可以将过敏患者(季节性过敏性鼻炎)与健康对照受试者分开，并且与基因表达特征相比有着更高的辨别能力[27]。因此，DNA甲基化可以作为过敏性疾病的一种早期检测手段或者诊断技术。 Paparo等[28]对30例牛奶过敏儿童进行的一项双盲、安慰剂对照、口服激发试验发现，鼠李糖乳杆菌可以通过重塑肠道菌群使产丁酸细菌大量增殖，丁酸进一步抑制HDAC 9/6的活性，导致Foxp3的去甲基化。而抗原特异性Treg细胞是诱导和维持对抗原的耐受性所必需的。对FOXP3特异性Treg细胞去甲基化区域(TSDR)的去甲基化，则是稳定维持Treg细胞抑制特性的先决条件[29]。Worthley等[30]发现SCFAs浓度与LINE-1的DNA甲基化程度成正相关，而后者影响直肠黏膜上皮细胞的增殖。目前关于菌群代谢产物通过DNA甲基化表观调控过敏性疾病的研究较少，仍需要更多更深入的研究阐释其作用及机制。

3 miRNA调控

miRNA是小的非编码RNA分子，是通过阻断mRNA翻译和/或通过与mRNA的39个非翻译区完全结合或错配结合来改变mRNA的稳定性、转录后调节基因表达的核苷酸[31]，对免疫细胞的发育、分化、成熟和活化，以及气道重塑和过敏及炎症性疾病患者功能失调起关键作用[32]。

目前，部分研究已经表明了一些miRNA的表达可以区分不同的哮喘亚型及疾病的严重程度，如miR-26a、Let-7a和 Let-7d与哮喘呈负相关，而miR-1248则与之呈正相关,其中miR-629-3p,miR-223-3p和 miR-142-3p在重度哮喘中显著升高，未来有望将其用于疾病的风险分层[33-35]。肠道菌群-miRNA相互作用包括两个过程：一是宿主分泌的miRNA调节肠道菌群；二是肠道菌群通过诱导特定miRNA影响宿主[36]。菌群代谢产物，包括叶酸、酚酸、S-(2)雌马酚、尿石素、异硫氰酸酯以及短链和长链脂肪酸等，可以通过调节let-7d, miR-15b、miR-107、miR-191、 miR-324、miR-215等多种miRNA的表达水平来表观调控机体健康[37]。其中，肠道菌群通过TLR / MyD88依赖性机制负调控miR-10a的表达，后者通过调节树突状细胞中IL12/IL-23p40的表达来维持肠道稳态[38]。食物通过肠道菌群代谢产生的丁酸及脂质等代谢产物可通过调控miR-106b、miR-24、miR-let-7a、miR-17-92a、miR-107等多种不同miRNA来调节细胞周期进程及凋亡[36]。Vaher等[39]在AD患者皮损和增殖性KC中发现miR-10a-5p表达上调，可能通过作用于透明质酸合酶3(一种与损伤相关的KC迁移和增殖的正向调节剂)及MAP3K7来抑制细胞增殖及下调炎性因子。miR-146a可能通过直接影响B细胞发育及Th1 /17型细胞介导的免疫反应而影响MC903诱导的AD样小鼠模型皮损中IgE的产生[40]。另外miR-155、miR-203和miR-483-5p等也在AD中存在差异表达[41]。皮损区表观遗传学改变是否以及在多大程度上影响AD的复发及疾病严重度，仍有待进一步探索。而miRNA在改善过敏性疾病症状上的治疗潜力也值得深入研究。

4 总结

除了上文提及的甲基化、乙酰化、组蛋白修饰和miRNA调控之外，表观调控还包括脂肪酰化，ADP-核糖基化等调控方式[12, 14]。对上述这些表观遗传修饰小分子的研究，揭示了表观基因组编辑在过敏性疾病中的潜在应用。除了HDACis (histone deacetylase inhibitors，组蛋白脱乙酰基酶抑制剂)或 HMTis(histone methyltransferase inhibitors，组蛋白甲基转移酶抑制剂)外,还可以通过靶向性更高的方法如CRISPR/dCas9系统[10, 42]或反义分子[43]进行干预。其他预防方法还包括营养[44]、甚至是生物物理干预[45]。将来可能还会开发基于表观遗传模式/特征的过敏性状的诊断/预后工具[46-47]。细菌代谢产物与宿主表观遗传机制相互作用的确切细胞和分子途径仍然有待进一步探索。另一个值得深入的研究领域可能是益生菌如何改变肠道菌群及其作为表观遗传修饰剂如何发挥调控作用。细菌代谢产物对于过敏性疾病的表观调控作用还有着巨大的探索空间，研究者们还需要更多更深入的研究来促进其临床应用。