肠上皮SETD2维持肠道微生物稳态以减轻结肠炎

《Clinical and Translational Medicine》：Intestinal epithelial SETD2 maintains gut microbial homeostasis to attenuate colitis

　　

背景：宿主-微生物群稳态的破坏是炎症性肠病（IBD）发病机制的基本标志。宿主表观遗传修饰及相应的基因表达水平变化可影响肠道微生物的组成。SET结构域包含蛋白2（SETD2）是一个关键的表观遗传调控因子，具有已知的肿瘤抑制作用，但其在肠道微生物生态和结肠炎进展中的功能尚不清楚。研究人员旨在探究SETD2在维持肠道微生物稳态和调节结肠炎进展中的具体作用。
方法：研究人员对肠道上皮细胞特异性SETD2敲除（Setd2^vil-ko）小鼠的结肠上皮细胞进行了RNA测序（RNA-seq）、转座酶可及染色质测序（ATAC-seq）和靶向切割与标签化测序（CUT&Tag-seq），以鉴定促进结肠炎发展的关键介质。粪便样本进行了16S rRNA测序和非靶向代谢组学分析，以表征微生物失调和代谢紊乱。进行了分子实验和粪便微生物群移植实验，以探索和验证SETD2在结肠炎发展中的作用。
结果：SETD2缺失诱导了Reg3凝集素的过度产生，并破坏了肠道微生物群组成。在Setd2^vil-ko小鼠中，有益共生菌被消耗，失调的代谢物累积。补充健康样肠道微生物群显著改善了SETD2缺失诱导的加剧的结肠炎。
结论：研究人员的发现揭示了SETD2在维持微生物稳态中的一个先前未被认识的作用，为表观遗传调控如何维持肠道稳态提供了新的机制见解，并为IBD提出了新的治疗途径。

**论文解读**

炎症性肠病（IBD）是一种慢性复发性胃肠道疾病，其发病机制涉及遗传易感性、肠道微生物失调、环境因素、肠屏障功能障碍及免疫应答失调等多重因素。宿主-微生物稳态的破坏是IBD的核心特征，表现为有益共生菌减少和促炎病原菌扩增，进而损害上皮完整性并加剧黏膜炎症。表观遗传修饰作为连接遗传风险与环境因素的桥梁，在IBD中发挥关键作用。SET结构域包含蛋白2（SETD2）是一种重要的表观遗传调控因子，主要负责组蛋白H3第36位赖氨酸的三甲基化（H3K36me3），并已被证实具有肿瘤抑制作用。然而，SETD2在肠道微生物生态和结肠炎进展中的功能尚不清楚。研究人员先前发现肠上皮细胞（IEC）特异性SETD2缺失会加剧小鼠结肠炎，但相关调控网络仍未完全阐明。本研究旨在探讨SETD2在维持肠道微生物稳态及调节结肠炎进展中的具体作用，为IBD治疗提供新机制和新靶点。该论文发表于《Clinical and Translational Medicine》。

**主要关键技术方法**
研究人员利用肠道上皮细胞特异性SETD2敲除（Setd2^vil-ko）小鼠模型，通过RNA测序（RNA-seq）鉴定差异表达基因；采用转座酶可及染色质测序（ATAC-seq）分析染色质可及性变化；通过靶向切割与标签化测序（CUT&Tag-seq）检测H3K36me3和H3K4me3组蛋白修饰；对粪便样本进行16S rRNA测序和非靶向代谢组学分析，以表征微生物组成和代谢物变化；并开展粪便微生物移植（FMT）实验验证SETD2的作用。此外，研究还分析了来自公共数据库的IBD患者批量RNA-seq数据集（GSE207022、GSE9452）及单细胞RNA-seq数据集（HRA007064），以评估SETD2与REG3的临床相关性。

**研究结果**

**3.1 肠上皮细胞中SETD2缺失加剧结肠炎并促进抗菌基因表达**
通过DSS诱导结肠炎模型，Setd2^vil-ko小鼠表现出更显著的体重下降、更高的疾病活动指数（DAI）、结肠缩短、组织学损伤加重及炎症因子（TNFα、IL1β、S100a9、Nos2）表达升高。RNA-seq分析显示，SETD2缺失导致大量差异表达基因，其中上调基因显著富集于抗菌肽介导的免疫反应、抗菌体液反应及对革兰阴性菌的防御反应等生物学过程，基因集富集分析（GSEA）进一步证实抗菌生物学过程上调。qPCR验证了抗菌基因Defa24、Adgrb1、Slpi、IL17a和Cxcl5的mRNA水平升高。

**3.2 SETD2缺失肠上皮中REG3家族基因显著上调**
RNA-seq数据表明，Reg3家族基因（Reg3a、Reg3b、Reg3d、Reg3g）在DSS处理的Setd2^vil-ko小鼠IECs中显著过表达。qPCR和免疫印迹法证实Reg3a、Reg3b、Reg3g的mRNA及蛋白水平均升高，免疫荧光染色显示REG3蛋白在结肠上皮中表达增强。体外利用HT-29细胞（人结肠癌细胞）构建IBD模型，转染sgSETD2后，LPS刺激下REG3A和REG3G的mRNA表达亦显著上调，进一步确认SETD2缺失导致REG3的异常过表达。

**3.3 SETD2缺失诱导的REG3上调涉及染色质可及性增强和H3K4me3激活**
ATAC-seq分析显示，SETD2缺失引起广泛的染色质可及性变化，差异可及性区域（DARs）主要位于启动子区域。整合RNA-seq和ATAC-seq数据发现，上调基因对应更开放的染色质状态，且开放差异表达基因（open DEGs）富集于抗菌相关生物学过程。ATAC-seq信号在Reg3b和Reg3g的启动子和基因体区域显著增强。CUT&Tag-seq检测显示，在Reg3位点未检测到明显的H3K36me3峰，但H3K4me3信号在启动子区域显著升高，提示SETD2缺失通过间接表观遗传重塑机制，即增强局部H3K4me3富集，促进Reg3转录。此外，公共IBD患者数据集分析显示SETD2与REG3A、REG3G的mRNA表达呈负相关，单细胞RNA-seq数据亦证实SETD2与REG3A在IECs中的负相关关系。

**3.4 肠道菌群失调对SETD2缺失诱导的结肠炎加剧是必需的**
抗生素清除肠道菌群后，Setd2^vil-ko小鼠的DSS结肠炎易感性显著降低，体重下降、DAI、结肠缩短、组织学损伤及炎症因子表达均与对照组无显著差异，表明SETD2缺失加剧的结肠炎依赖于肠道细菌的存在。16S rRNA测序分析显示，稳态条件下两种基因型小鼠的微生物群落结构相似，但DSS处理后，Setd2^vil-ko小鼠的α多样性（Ace、Chao、Shannon指数）显著降低，且有益菌群Muribaculaceae和Lachnospiraceae的相对丰度明显减少，与REG3过表达一致。

**3.5 肠上皮细胞中SETD2缺失改变结肠炎期间的粪便代谢物**
非靶向代谢组学分析显示，稳态条件下Setd2^vil-ko小鼠的代谢物谱已有变化，主要表现为色氨酸代谢途径中间体的上调。DSS处理后，Setd2^vil-ko小鼠出现大量代谢物异常积累，KEGG富集分析显示嘌呤代谢通路显著激活，尿酸（嘌呤分解终产物）水平显著升高，提示肠道菌群失调损害了尿酸的降解能力，可能加剧结肠炎。

**3.6 移植健康样肠道菌群降低SETD2缺失小鼠的结肠炎易感性**
将健康野生型小鼠的粪便微生物移植至经抗生素处理的Setd2^vil-ko小鼠后，DSS诱导的结肠炎症状显著减轻，表现为体重下降减缓、DAI降低、结肠长度恢复、组织学损伤减轻及炎症因子表达下降，说明重建健康肠道菌群可有效缓解SETD2缺失引起的结肠炎恶化。

**讨论与结论**
讨论部分指出，表观遗传修饰是宿主调控肠道微生物群的关键机制。SETD2缺失导致REG3家族抗菌肽的异常过度表达，破坏了有益共生菌群，并引起代谢物（如嘌呤代谢产物）的病理性积累，从而加剧结肠炎。REG3凝集素在生理条件下维持肠道稳态，但过度产生可能因无差别抗菌压力而耗竭保护性菌群。抗生素清除实验和FMT实验证实，微生物失调是SETD2缺失诱导结肠炎加剧的关键驱动因素。研究还提出，SETD2表达状态可作为指导个体化FMT的潜在生物标志物，推动IBD精准治疗。然而，研究存在局限性，如主要基于小鼠模型，需在IBD患者中验证；REG3与特定菌群及代谢物的直接调控机制尚需进一步阐明；未来需利用REG3缺陷模型等明确该通路的治疗潜力。
结论：总之，研究人员的发现揭示了SETD2在肠道炎症疾病发病机制中的一个先前未被认识的作用。研究人员提出，SETD2对REG3凝集素的表观遗传调控及其对肠道微生物和代谢的影响对肠道稳态至关重要。这些发现强调了宿主表观遗传调控在塑造肠道微生物组成中的关键作用，并为IBD及其他与SETD2缺失相关的疾病中开发表观遗传靶向治疗提供了新见解。