鉴定促进肠道炎症的环境因素

撰文 | 十一月

斑马鱼在免疫相关的小分子筛选方面具有巨大的优势，因为其早期胚胎发育阶段透明、胚胎数量巨大，且具有与人类相似免疫系统特征【1】。2,4,6-三硝基苯磺酸TNBS在小鼠中能够诱导T细胞驱动的结肠炎，在斑马鱼中也会诱导肠道炎症【2】。炎症性肠病（Inflammatory bowel disease，IBD）是一种复杂的胃肠道慢性炎症疾病。全基因组关联研究发现了炎症性肠病相关的一些风险位点【3】。研究表明工业化国家中炎症性肠病增加，这说明环境因素可能也是炎症性肠病的易感性决定因素之一【4】。但是目前关于炎症性肠病相关环境因素以及影响疾病的机制的鉴定还并不清楚。

近日，美国哈佛大学Francisco J. Quintana研究组在Nature上发表了文章Identification of environmental factors that promote intestinal inflammation，通过结合公开的数据库、斑马鱼化学筛选、机器学习以及小鼠临床前模型等识别控制炎症性肠病的环境因素以及具体的发病机制。

在受精后7天使用TNBS处理斑马鱼幼鱼会导致隐巢和绒毛形态的丧失、肠腔的扩张和肠道蠕动运动的减少，并且伴随着促炎症基因表达的增加。NOS的药理抑制或者通过FICZ激活AHR可以改善斑马鱼的肠道炎症。为了筛选调节肠道炎症的环境化学物质，作者们在TNBS诱导的斑马鱼结肠炎症模型中建立了一个筛选平台（图1）。在该平台的建立中作者们使用了ToxCast数据库，该数据库通过高通量生化和细胞分析中收集工业、农业和消费品中使用的化学物质活性数据【5】。

图1 斑马鱼中建立环境化学物质筛选平台

通过大规模筛选，作者们将范围确定到20个候选化合物，其中包括11种与农业相关的化学物质。最终作者们选择了除草剂丙酰胺（Propyzamide）进行后续研究，丙酰胺被用于水果、蔬菜以及多种作物，同时也会用于观赏花园的处理。丙酰胺会对眼睛和皮肤具有刺激，吸入也会具有轻度毒性。作者们发现丙酰胺会增强TNBS诱导的斑马鱼肠道炎症。但是丙酰胺本身给药并不会诱导肠道炎症。这说明丙酰胺在肠道炎症中起着“加速器”作用，而非“启动器”作用。

为了确定丙酰胺的免疫调节机制，作者们使用了TNBS诱导的结肠炎小鼠模型。在小鼠模型中，丙酰胺会导致肠道病理严重，表现为体重减轻、结肠缩短和组织学恶化等。丙酰胺还增加了结肠中特定类型的CD4 T细胞增加，但丙酰胺本身并不会引起肠道炎症。另外，作者们发现丙酰胺会改变肠道菌群，但肠道失调并不会促进其对肠道的影响。

通过RNA-seq分析，作者们发现丙酰胺处理的TNBS小鼠结肠中促炎途径上调。其中上游调控因子的分析发现，NF-κb驱动的C/EBPβ的AHR抑制降低是介导丙胺诱导的转录效应的候选机制。为了进一步研究丙酰胺导致肠道炎症恶化的机制，作者们进行了scRNA-seq，作者们发现T细胞和树突状细胞群扩大，NF-κb驱动的C/ EBPβ促炎基因表达上调，AHR信号降低。因此，丙酰胺通过作用于AHR-NF-κB-C/EBPβ信号轴调节大肠和小肠的肠道免疫细胞反应进而加重肠道炎症。

总的来说，作者们建立了一个整合工作平台，通过化学药物数据库在促进肠道炎症中分子筛选、机器学习以及小鼠模型鉴定发现除草剂丙酰胺会加重肠道炎症，而这一过程是由于AHR-NF-κB-C/EBPβ信号轴扩大免疫细胞反应促进促炎信号通路表达，从而建立一种研究肠道炎症的环境因素以及发病机制研究的范式。

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05308-6

制版人：十一

参考文献

1. White, R. M. et al. DHODH modulates transcriptional elongation in the neural crest and melanoma.Nature471, 518–522 (2011).

2. Fleming, A., Jankowski, J. & Goldsmith, P. In vivo analysis of gut function and disease changes in a zebrafish larvae model of inflammatory bowel disease: a feasibility study.Inflamm. Bowel Dis.16, 1162–1172 (2010).

3. Huang, H. et al. Fine-mapping inflammatory bowel disease loci to single-variant resolution.Nature547, 173–178 (2017).

4. Kamm, M. A. Rapid changes in epidemiology of inflammatory bowel disease.Lancet390, 2741–2742 (2018).

5. Richard, A. M. et al. ToxCast chemical landscape: paving the road to 21st century toxicology.Chem. Res. Toxicol.29, 1225–1251 (2016).

转载须知

【原创文章】BioArt原创文章，欢迎个人转发分享，未经允许禁止转载，所刊登的所有作品的著作权均为BioArt所拥有。BioArt保留所有法定权利，违者必究。