丁酸酯通过HBO1介导的H3K14巴豆酰化增强肠道损伤后再生

本研究针对肠道损伤后再生机制不明的问题，开展了组蛋白巴豆酰化修饰在肠道再生中作用的研究。发现损伤后再生隐窝中丁酸酯和H3K14cr水平升高，丁酸钠处理通过HBO1介导的H3K14cr显著缓解DSS诱导的结肠炎，促进Lgr5+肠道干细胞扩张和胎儿基因表达。该研究揭示了代谢物-表观遗传调控-组织再生的新机制，为胃肠道疾病治疗提供了新策略。

　　

肠道上皮是人体更新最快的组织之一，每3-5天完全更新一次，这一过程由隐窝基部的Lgr5⁺肠道干细胞（ISCs）驱动。这些干细胞不仅维持着日常的稳态更新，还在损伤后展现出强大的再生能力。当肠道遭受炎症、化疗或放疗损伤时，ISCs和快速增殖的过渡放大（TA）细胞极易受损，此时部分分化细胞会通过去分化过程恢复干细胞特性，促进上皮修复。值得注意的是，再生中的肠道上皮会呈现胎儿样转录组特征，这种现象在蠕虫感染、辐射或右旋糖酐硫酸钠（DSS）诱导的结肠炎模型中均有观察到。虽然Wnt、Notch和YAP/TAZ等信号通路已被证实参与再生过程，但这一活跃再生过程背后的表观遗传调控机制仍不清楚。

组蛋白修饰是基因表达调控的重要方式，其中组蛋白乙酰化（Kac）研究最为深入，它由乙酰转移酶（KATs）催化并被去乙酰化酶（HDACs）去除。随着质谱技术的发展，多种新型组蛋白酰化修饰陆续被发现，包括丙酰化（Kpr）、丁酰化（Kbu）、巴豆酰化（Kcr）、琥珀酰化（Ksucc）和乳酸化（Kla）等。这些修饰都依赖于相应的酰基辅酶A，而这些代谢物是细胞代谢的中间产物，因此组蛋白酰化修饰既受修饰酶的调控，也受底物酰基辅酶A可用性的影响。短链脂肪酸（SCFAs）如乙酸、丁酸和丙酸在肠道腔内含量丰富，它们由微生物发酵膳食纤维产生，可通过转化为酰基辅酶A或抑制HDACs来影响组蛋白酰化修饰。其中丁酸和丙酸在维持肠道稳态和缓解结肠炎中的作用已得到充分证实，而巴豆酰化作为近年来备受关注的组蛋白修饰，在结肠转录调控中发挥作用，但其在肠道损伤再生中的作用尚属未知。

发表在《Nature Communications》的这项研究旨在阐明组蛋白酰化修饰在肠道上皮再生中的作用。研究人员发现，在DSS诱导的结肠炎过程中，再生隐窝中丁酸、丙酸和巴豆酸水平显著升高，且组蛋白巴豆酰化（而非丁酰化或丙酰化）特异性增加，提示组蛋白巴豆酰化在肠道再生中具有独特作用。进一步实验表明，口服丁酸钠（NaCr）可通过提升H3K14cr水平显著缓解DSS诱导的结肠炎，且这一效应依赖于HBO1（MYST家族乙酰转移酶）。HBO1缺失会严重损害再生过程，减少H3K14ac和H3K14cr水平，降低转录起始位点的染色质可及性，并 impair ISCs标志基因和胎儿基因（如Lgr5、Ascl2、Smoc2、Clu、Cd44等）的表达。单细胞RNA测序分析显示，HBO1在辐射后恢复期的干细胞和再生细胞中表达，进一步支持了HBO1在肠道再生中的关键作用。

研究采用的主要技术方法包括：DSS诱导结肠炎和辐射损伤的小鼠模型、类器官培养系统、液相色谱-质谱联用（LC-MS）检测短链脂肪酸、免疫荧光染色和免疫组化分析、染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）和ATAC-seq分析染色质可及性、单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析细胞群体特征，以及RNA测序和qPCR检测基因表达变化。人溃疡性结肠炎（UC）样本来自南昌大学第一附属医院，小鼠遗传学模型采用Villin-CreERT2介导的肠道上皮特异性基因敲除。

研究结果

Crotonate和H3K14cr水平在DSS诱导结肠炎后的再生隐窝中动态调控

通过LC-MS分析发现，DSS处理期间SCFAs（包括丁酸、丙酸和巴豆酸）水平显著升高。免疫印迹和免疫荧光显示，H3K14ac和H3K14cr在损伤初期（第5-6天）下降，随后在再生隐窝（第10天）显著增加，且HBO1表达与Lgr5表达模式一致。人IBD样本分析显示HBO1转录本下调，UC样本中HBO1和H3K14cr减少，表明HBO1-H3K14cr轴在肠道再生中动态变化。

Crotonate增强Lgr5⁺ ISCs扩张并缓解DSS诱导的结肠炎

丁酸钠处理肠类器官可上调ISC基因（Lgr5、Ascl2）和胎儿基因表达，促进Lgr5-GFP^high球形类器官形成。体内实验表明，NaCr灌胃显著减轻DSS引起的体重下降、疾病活动指数（DAI）升高和结肠缩短，增加隐窝增殖细胞（KI67⁺），并提升H3K14cr和Pan-巴豆酰化水平。NaCr的保护作用在HBO1敲除小鼠中消失，证明其依赖HBO1介导的H3K14cr。

HBO1缺失改变上皮分化并下调ISC基因表达

scRNA-seq显示Hbo1高表达于TA和干细胞。HBO1条件敲除（cKO）小鼠肠道中H3K14ac和H3K14cr显著减少，Paneth细胞（LYZ1⁺）减少而肠内分泌细胞（CHGA⁺）增加。类器官中HBO1缺失减少Lgr5-GFP⁺细胞和ISC基因表达，抑制出芽，且NaCr诱导的基因表达增强效应消失。

HBO1是损伤后肠道上皮再生所必需的

DSS处理后，HBO1 cKO小鼠体重下降更快、DAI评分更高、死亡率增加，组织学显示严重 crypt 损失和上皮细胞分散，KI67⁺增殖细胞和Lgr5-GFP⁺细胞减少，凋亡细胞增加。辐射损伤后，cKO小鼠体重损失更显著，增殖隐窝数量减少。NaCr处理无法挽救cKO小鼠表型，再证其依赖性。

HBO1缺失下调再生相关ISC基因和胎儿基因

RNA-seq分析显示，HBO1 cKO crypt中1166个基因下调，包括ISC标志基因（Lgr5、Ascl2、Smoc2、Axin2）和胎儿基因（Clu、Cd44、Ly6a、Anxa5、Ly6c1）。GSEA分析表明ISC特征、胎儿肠道、增殖和Wnt信号通路基因富集。YAP靶基因在cKO中下调，YAP1、SOX9和活性β-catenin蛋白水平在再生期未能升高。

HBO1缺失影响辐射后再生基因表达

辐射后HBO1 cKO类器官存活率降低，再生标志基因（Clu、Ly6a）、ISC基因（Lgr5、Olfm4）和增殖基因（Ki67）表达持续低下。scRNA-seq显示Hbo1与Lgr5、Clu、Cd44在ISC和再生细胞中共表达，辐射后新型再生细胞群体EC-3中Hbo1和胎儿基因表达上调。

H3K14ac和H3K14cr修饰调控机制

ChIP-seq和CUT&Tag分析显示HBO1峰值主要位于转录起始位点（TSS）区域，与H3K14ac和H3K14cr共定位。HBO1缺失导致TSS区域H3K14ac和H3K14cr水平降低，染色质可及性下降，ISC和胎儿基因表达减少。具体而言，Lgr5、Smoc2、Axin2的TSS区域H3K14ac和H3K14cr均减少，而Ascl2、Hopx仅H3K14cr减少，提示HBO1通过特异性酰化修饰促进再生基因表达。

结论与意义

本研究揭示了肠道损伤再生中一种新的代谢-表观遗传调控机制：损伤后隐窝中巴豆酸水平升高，通过HBO1介导的H3K14巴豆酰化修饰，增强染色质可及性，促进ISC标志基因和胎儿基因表达，从而驱动上皮再生。这不仅阐明了组蛋白巴豆酰化在组织再生中的重要作用，还为胃肠道疾病（如IBD）的治疗提供了新思路——补充丁酸酯或靶向HBO1-H3K14cr轴可能成为促进肠道修复的有效策略。研究还提示，微环境信号可能补偿HBO1在稳态下的功能，但其在应激条件下不可或缺，突出了表观遗传调控在细胞可塑性和再生医学中的深远影响。