Mol Cell | 肠道微生物通过调控非编码DNA重塑肝脏基因表达

撰文 | 格格

肝细胞中的顺式调控元件（CREs）是基因表达调控的核心，通过结合转录因子将胞外信号转化为特定的基因调控程序【1】。由于肝脏转录组对外界环境高度敏感，其需要精密的基因表达调控来维持代谢与生理稳态【2】。 当 这一调控失衡时，会与非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）、脂肪性肝炎（MAFLD）及肝细胞癌（HCC）等肝脏疾病密切相关【3-5】。近年来，肠道菌群失调已被确认为影响肝脏疾病发生发展的关键因素。菌群可通过DNA甲基化、组蛋白修饰等表观遗传机制调控肝脏基因表达、免疫反应及代谢通路。然而，尽管肠道菌群与肝脏疾病之间的关联日益明确，其具体的分子机制仍不清楚。

近日 ， 来自新加坡科技研究局基因组研究所 的Poshen B. Chen研究团队在Molecular Cell杂志发表题为Gut microbiota modulation of regulatory DNA elements revealed by massively parallelfunctional characterization的研究论文， 该研究旨在通过大规模功能分析技术，系统地研究肝脏细胞中顺式调控元件 (CREs) 的功能，并探究肠道菌群代谢物对肝脏基因调控的影响，从而揭示肠道菌群与肝脏健康之间的分子机制。

研究人员首先利用大规模并行报告基因实验技术（MPRA），在体外（HepG2细胞）和体内（SPF小鼠肝脏）对109,386个候选顺式调控元件（CREs）进行了系统性功能筛选。体外episomal MPRA鉴定出9,908个激活型CREs和4,692个抑制型CREs。为进一步提升可靠性，团队优化了体内MPRA参数，确保了对DNA丰度、RNA及DNA计数重复性的严格控制。通过比较体内外fCREs的染色质开放性、组蛋白修饰（如H3K27ac）及转录因子结合位点，发现体内fCREs更易受p53调控，且部分共享CREs在体内状态下表现出更高的染色质开放性和组蛋白修饰水平。这些结果表明，MPRA能够高效识别肝脏中真实活跃的调控元件。

为了探究肠道菌群对fCREs活性的影响，研究人员比较了无特定病原体（SPF）小鼠与限菌（gnotobiotic）小鼠的体内MPRA数据。结果显示，肠道菌群信号的缺失导致大量fCREs活性发生显著变化。通过计算差异活性比率，共识别出3,169个活性降低的fCREs和1,286个活性升高的fCREs。这一发现提示，微生物来源的信号（尤其是代谢物）可能通过调控转录因子活性，进而调节肝脏中fCREs的功能。

为阐明微生物代谢物如何通过fCREs调节肝脏基因表达，研究人员建立了体外粪便菌群培养体系，提取代谢物处理HepG2细胞。结果发现，微生物代谢物可显著改变肝脏基因的表达模式。进一步选取三个与肝脏疾病相关的靶基因（Sept4、Ctsz和Gdf15），验证发现微生物代谢物能同时诱导这些基因的表达及其对应fCREs的活性变化，二者趋势高度一致。此外，通过循环肽技术选择性抑制厚壁菌门细菌，发现该菌群来源的代谢物在调控肝脏基因表达中发挥关键作用。在单独培养的17种常见细菌菌株中，仅B. xylanisolvens的代谢物能显著诱导Ctsz基因的表达，提示不同菌种通过分泌特异性代谢物差异性地调控宿主基因表达。

最后，研究人员探索了遗传变异是否影响fCREs对微生物信号的应答。在富含厚壁菌门细菌代谢物处理的HepG2细胞中，发现一个罕见的非编码变异位点rs553586668。该变异能够增强fCRE对微生物代谢物的敏感性，其机制可能通过改变局部染色质的可及性来实现。功能验证进一步表明，该位点可能通过调控附近基因的表达，进而影响肝脏的生理功能。

总之，本研究通过大规模并行报告基因实验技术，系统鉴定了肝脏中近11万个顺式调控元件的功能，证实肠道菌群来源的代谢物可直接调控特定调控元件的活性，进而影响肝脏疾病相关基因的表达，且这一作用受宿主遗传变异的修饰。该研究首次揭示了肠道微生物通过直接调控非编码DNA调控元件重塑肝脏基因表达的分子机制，为理解菌群-肝脏轴提供了全新的表观遗传视角，并为肝脏相关疾病的菌群干预和精准治疗提供了潜在靶点。

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

制版人： 十一

参考文献

1. Garieri, M., Delaneau, O., Santoni, F., Fish, R.J., Mull, D., Carninci, P., Dermitzakis, E.T., Antonarakis, S.E., and Fort, A. (2017). The effect of genetic variation on promoter usage and enhancer activity.Nat. Commun.8, 1358.

2. Wang, R., Tang, R., Li, B., Ma, X., Schnabl, B., and Tilg, H. (2021). Gut microbiome, liver immunology, and liver diseases.Cell. Mol. Immunol.18, 4–17.

3. Wang, L., Cao, Z.-M., Zhang, L.-L., Li, J.-M., and Lv, W.-L. (2022). The role of gut Microbiota in some liver diseases: From an immunological perspective.Front. Immunol.13, 923599.

4. Mai, H., Yang, X., Xie, Y., Zhou, J., Wang, Q., Wei, Y., Yang, Y., Lu, D., Ye, L., Cui, P., et al. (2023). The role of gut microbiota in the occurrence and progression of non-alcoholic fatty liver disease.Front. Microbiol.14, 1257903.

5. Anand, S., and Mande, S.S. (2022). Host-microbiome interactions: Gut-Liver axis and its connection with other organs.NPJ Biofilms Microbiomes8, 89.

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