炎症性肠病（inflammatory bowel disease，IBD）是一种慢性反复发作的肠道炎症性疾病，主要包括溃疡性结肠炎（ulcerative colitis，UC）和克罗恩病（Crohn's disease，CD）。遗传和环境相互作用是IBD发病的重要影响因素。随着对表观遗传学认识的增加，表观遗传异常基因在IBD中的作用逐渐受到重视。人类肠道中包含500～1 000种肠道微生物，被称为"第二基因组"。在IBD肠腔环境中，肠道微生物群结构紊乱；黏膜屏障和黏液屏障缺陷促进微生物群和肠上皮直接接触，为微生物侵袭提供条件。研究表明，肠道微生物可以通过代谢、信号传导、侵袭等多种方式调控宿主表观遗传。DNA甲基化是目前研究较多且重要的表观遗传修饰方式，本质是基因组DNA上的胞嘧啶第5位碳原子与甲基间的共价结合。近年来越来越多的研究发现IBD患者存在DNA甲基化水平的异常，表明DNA甲基化可能是链接IBD遗传因素和环境因素的重要桥梁。本综述从表观遗传中DNA甲基化角度出发，探讨IBD中DNA甲基化的改变和肠道菌群的相互作用，以供同行参考。

甲基化修饰可以发生在DNA、mRNA、蛋白质中，其中DNA甲基化是研究最广泛的表观遗传修饰之一，DNA甲基化/去甲基化通过引起染色质结构构象和稳定性变化，改变蛋白质与DNA之间相互作用。在IBD患者中，DNA甲基化的改变既可以广泛发生（外周血），也可以局部存在（肠上皮组织）；不同形式的甲基化程度改变既可以作为疾病活动的标志，也可以作为预测预后的指标。

1．DNA甲基化：在甲基化过程中，DNA甲基转移酶（DNA methyltransferases，DNMT）及其辅助因子UHRF1参与催化，s-腺苷甲硫氨酸（s-adenosylmethionine，SAM）提供甲基供体，将甲基（CH3）转移到特定的碱基上，如胞嘧啶C-5位、腺嘌呤N-6位、鸟嘌呤N-7位等，分别生成5-甲基胞嘧啶（5-mC）、6-mA及7-mG。其中胞嘧啶鸟嘌呤（CpG）位点的5-mC甲基化修饰在哺乳动物中最为广泛。哺乳动物体内存在5种DNMT：DNMT1可维持甲基化，DNMT2参与RNA甲基化，DNMT3a、DNMT3b和DNMT3L参与从头甲基化。DNA甲基化可改变染色质的结构，使DNA与组蛋白的整合更紧密，排斥核转录因子的结合，抑制基因转录并导致长期的基因沉默。见图1 。

图1  DNA甲基化和去甲基化的机制

注：DNMT为DNA甲基转移酶；C为胞嘧啶；CH3为甲基；5-mC为5-甲基胞嘧啶；UHRF1为DNMT辅助因子；TET为10 ~ 11易位蛋白；TDG为胸腺嘧啶DNA糖苷酶；5-caC为5-羧基胞嘧啶

2．DNA去甲基化：哺乳动物中，5-mC形式的DNA去甲基化主要由TET（10~11易位蛋白）-TDG（胸腺嘧啶DNA糖苷酶）通路介导。首先TET将5-mC氧化为5-羟甲基胞嘧啶（5-hmC）、5-甲酰胞嘧啶（5-fC）和5-羧基胞嘧啶（5-caC），然后由TDG介导碱基切除修复，最终还原为未修饰的胞嘧啶。DNA去甲基化使得DNA与组蛋白的整合变得松散，利于核转录因子结合，促进基因转录和激活。见图1 。

1．外周血DNA甲基化：IBD患者外周血DNA甲基化存在异常。美国一项纳入了18例家族性IBD患者（9例UC和9例CD）的研究表明，与健康兄妹相比，家族性IBD患者外周血B细胞有49个差异甲基化的CpG位点，其中与免疫和炎症反应相关的白细胞介素16和白细胞介素10基因存在甲基化差异。

DNA甲基化和IBD之间的因果关系尚未明确。有研究称，白细胞介素12/23通路中 BCL3等基因DNA甲基化水平提高，可能会诱导外周血效应T细胞的激活，加剧肠道炎症。但Somineni等比较初诊儿童CD患者和健康人群血液样本，发现1 189个CpG位点甲基化存在差异，但是大多数差异随炎症获得控制而减少。该研究认为IBD患者外周血DNA甲基化水平变化是炎症的结果，而非疾病发生和进展的原因。同时有动物实验揭示，肿瘤坏死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）能够诱导外周血巨噬细胞DNMT辅助因子UHRF1降解，引起DNA甲基化水平下降。有学者分别用TNF-α和干扰素处理健康人外周血单核细胞，发现数百个CpG位点产生甲基化差异。上述研究结果为炎症水平改变外周血甲基化提供证据，推测可通过外周血甲基化水平来了解IBD的疾病活动状态。

2．肠上皮组织DNA甲基化：与外周血细胞不同，IBD患者肠上皮细胞DNA甲基化水平随着时间推移保持相对稳定，且这种甲基化特征与疾病预后相关，如生物制剂、硫唑嘌呤的疗效等。全基因组分析表明，与细胞凋亡相关的 BACH2、CASP1、APOA1等基因在IBD患者中既存在甲基化差异又存在基因表达差异。在57%的UC相关结肠癌患者中，介导上皮细胞钙黏蛋白表达、维持黏膜屏障功能的 CDH1基因启动子区域呈现高甲基化。这些发现为通过DNA甲基化预测IBD的发生和预后提供思路。

肠道菌群的结构改变可通过调节DNA甲基化修饰反作用于宿主体内稳态，而饮食、抗生素使用、感染等因素已被发现可通过表观遗传途径调控肠道菌群组成，见图2 。

图2  炎症性肠病肠道微生物-宿主DNA甲基化互作机制

注：claudin-2为紧密连接蛋白2；AIEC为黏附-侵袭性大肠杆菌；CEACAM6为癌胚抗原相关黏附分子6；ETBF为肠毒素脆弱拟杆菌；BFT为脆弱拟杆菌毒素；P.gingivalis为牙龈卟啉单胞菌；LPS为脂多糖；L.plantarum为植物乳杆菌；Bifidobacteria为双歧杆菌；dhPP为蝶呤前体；pABA对氨基苯甲酸；G - bacteria为革兰氏阳性菌；C.difficile为艰难梭菌；MGL为蛋氨酸裂解酶；E.coli MS 200-1为大肠杆菌MS 200-1；CUT为胆碱-三甲胺裂解酶；DXP为5-磷酸脱氧纤维素糖；4PHT为4-磷酸羟基- l -苏氨酸；G-3P为3-磷酸甘油醛；D-R5P为5-磷酸核酮糖；Met为甲硫氨酸；THF为四氢叶酸；5-mTHF为N5-甲基四氢叶酸；Hcy为同型半胱氨酸；SAM为s-腺苷甲硫氨酸；SAH为s-腺苷-L-高半胱氨酸；CH3为甲基；MUC2为黏蛋白2

1．肠道菌群通过生化合成影响甲基供体SAM：

（1）影响SAM合成过程中的关键分子：肠道菌群可通过一些与单碳代谢相关的关键分子如叶酸和维生素B 12、B 6等参与SAM的发生，从而调节宿主甲基化。

叶酸是一种在单碳代谢（ 图2 ）中起着核心作用的微量元素。高等生物失去合成叶酸的能力，需要饮食摄入。被肠道吸收的叶酸以N5-甲基四氢叶酸（5-methyl-THF）的形式存在，在维生素B12依赖的蛋氨酸合成酶还原酶（MTRR）和5-甲基四氢叶酸-同型半胱氨酸甲基转移酶（MTR）催化下，将同型半胱氨酸（Hcy）再生为SAM的前体甲硫氨酸，自身还原为四氢叶酸。肠道特定细菌（如植物乳杆菌和双歧杆菌等益生菌）可通过蝶呤前体（dhPP）和对氨基苯甲酸（pABA）合成叶酸。菌群紊乱可影响肠腔中可吸收叶酸的水平，进而通过单碳循环调节宿主DNA甲基化。IBD患者中肠道菌群失调会损害宿主对维生素B12的吸收和利用。革兰氏阴性细菌过度生长会将维生素B12转化为无生物活性的维生素B12类似物钴胺酰胺，导致宿主对维生素B12吸收和利用障碍。

维生素B6是半胱氨酸-β-合酶和半胱氨酸-γ-裂解酶的辅助因子，介导转硫途径，将同型半胱氨酸转化为半胱氨酸，是除转甲基反应以外另一条减少血清同型半胱氨酸堆积的代谢通路，能促进单碳代谢循环，增加SAM的生成。肠道中产生维生素B 6的细菌有脆弱拟杆菌Bacteroides fragilis和普雷沃菌Prevotella copri（拟杆菌门）、长双歧杆菌Bifidobacterium longum和克林塞拉菌Collinsella aerofaciens（放线菌门）及幽门螺杆菌Helicobacter pylori等。其中脆弱拟杆菌和幽门螺杆菌通过5-磷酸脱氧纤维素糖和4-磷酸羟基-l-苏氨酸合成维生素B6，而放线菌通过3-磷酸甘油醛和5-磷酸核酮糖合成维生素B6。维生素B6的吸收受肠腔pH值影响，某些乳酸菌（如双歧杆菌、 Lactobacillus、肠球菌和链球菌）可产生酸性物质，促进维生素B6吸收。

（2）菌群直接合成SAM：细菌将饮食中的营养物质（胆碱、蛋氨酸）合成SAM直接供给宿主。胆碱被人体吸收后可通过胆碱-甜菜碱-蛋氨酸途径合成SAM。肠道微生物可通过胆碱-三甲胺裂解酶与宿主竞争饮食中的胆碱，将胆碱代谢为三甲胺，使宿主处于胆碱缺乏状态。Romano等将定居于回肠且表达胆碱-三甲胺裂解酶基因的大肠杆菌MS200-1移植到无菌小鼠肠道，造成其血清中参与产生SAM的代谢物（如胆碱、甜菜碱、蛋氨酸）显著减少，以及多组织（如结肠、心脏、肝脏和脑）DNA甲基化水平降低。研究也表明通过改变饮食中胆碱的含量可以调节葡聚糖硫酸钠（dextran sulfate sodium，DSS）诱导结肠炎。Li等发现，大肠杆菌 ludwigii可以通过胆碱调节宿主免疫反应，改善肠炎。尽管尚未有研究直接阐明，但是细菌通过胆碱合成的甲基化底物或许是胆碱改善肠炎的潜在机制。

蛋氨酸是一种人体无法合成的必需含硫氨基酸，须依赖外部摄取。蛋氨酸通过单碳循环，在甲硫腺苷转移酶（MAT）催化下，生成SAM。蛋氨酸裂解酶（methionine gamma lyase，MGL）是一种在部分微生物中特定表达的酶，可以将蛋氨酸分解为α-酮酸、氨和挥发性硫醇，造成宿主肠道蛋氨酸浓度下降。半胱氨酸代谢酶在人类肠道微生物群中广泛表达，其能将蛋氨酸的前体同型半胱氨酸通过转硫途径转化为半胱氨酸，减少蛋氨酸的再生成。梭状芽孢杆菌是IBD的常见感染性病原体，会加重结肠炎。有研究发现梭状芽孢杆菌可以表达MGL和半胱氨酸代谢酶，降低宿主肠腔中蛋氨酸浓度。

2．直接调控宿主细胞DNA甲基化：Zong等揭示阴沟肠杆菌Z0206（SEPS）可以通过提高Janus激酶2（Janus kinase 2，JAK2）和MAPK启动子区域的DNA甲基化，负向调节JAK2和MAPK的表达，促进肠上皮细胞增殖和存活，减轻DSS肠炎。肠毒素脆弱拟杆菌（ETBF）会引发并加剧肠道炎症，其分泌的脆弱拟杆菌毒素能导致宿主病原体抵御基因[癌胚抗原相关黏附分子6（carcinoembryonic antigen-related cell adhesion molecule 6， CEACAM6）、黏蛋白2（mucin2， MUC2）]和结肠癌相关基因（ FOSL1、JUN、JDP）的高甲基化，破坏黏膜屏障，使上皮细胞异常分化，调控IBD发生和预后。

宿主通过DNA甲基化改变影响肠道微生物的研究目前较少，这可能与特异基因的甲基化抑制剂/激动剂的研发局限性有关，目前研究主要通过饮食方式改变宿主的甲基化水平。一项研究表明，短期蛋氨酸饮食干预会改变DSS肠炎小鼠总体DNA甲基化水平，构建黏膜屏障相关的紧密连接蛋白基因的低甲基化会使其表达水平降低，改变肠道菌群结构。黏附-侵袭性大肠杆菌（AIEC）通过识别CEACAM6受体侵袭肠上皮细胞，给予CD小鼠甲基供体饮食后，CEACAM6启动子高甲基化且基因表达下降，使AIEC识别CEACAM6侵袭肠上皮细胞的效率下降，从而降低了AIEC定植。

粪菌移植或特定益生菌接种或许可以成为IBD的潜在治疗手段。Abu-Remaileh等发现，相比于普通小鼠，无菌小鼠接受DSS诱导后体内总体甲基化水平变化较小，而无菌小鼠在粪菌移植后也产生了类似普通小鼠的甲基化水平变化。Ma等发现费氏丙酸杆菌能增加DSS肠炎大鼠粪便中丙酸含量，刺激MUC2（肠黏液的主要成分）基因表达，改善急性结肠炎，其机制可能是丙酸盐能够调节MUC2启动子甲基化，增加其mRNA表达。

细菌中分离纯化出的蛋氨酸裂解酶（MGL）对蛋氨酸依赖性肿瘤有着较好的治疗效果。研究发现通过基因重组技术用红细胞包裹MGL，能靶向作用于肿瘤，造成肿瘤细胞的蛋氨酸缺乏和DNA低甲基化。MGL在IBD中的应用尚未见报道，可能为治疗IBD提供一种思路。

含核苷酸结合寡聚化结构域2（nucleotide binding oligomerization domain containing 2，NOD2）基因被认为是回肠微生物群和CD的关键调节剂，可以分泌抗菌化合物调节回肠微生物群。NOD2基因缺陷小鼠回肠菌群失调，回肠上皮杀菌能力受损，NOD2基因启动子在CD和UC回肠组织中呈现低甲基化。Feerick和McKernan发现，体外单核细胞系THP-1中NOD1/2受体的活性和表达可能受到DNA甲基化的直接调控，使用DNMT抑制剂可激活单核细胞中NOD2基因。上述研究表明，靶向调控NOD2基因甲基化水平，可能具有改善IBD肠道菌群紊乱的潜力，针对NOD2基因甲基化的靶向抑制剂仍有待开发。

表观遗传作为连接遗传因素和环境因素的桥梁，在IBD中的重要性日益受到重视。肠道微生物在维持机体动态平衡方面起着至关重要的作用，是最为关键的环境因素之一。宿主DNA甲基化和肠道微生物之间存在互作关系，宿主DNA甲基化修饰异常会导致肠道微生物紊乱，反之肠道微生物紊乱也会引起宿主DNA甲基化修饰异常。代谢途径是肠道微生物影响宿主DNA甲基化的重要媒介，单碳代谢途径能够生成甲基化供体，是其中最为重要的一条代谢途径。宿主通过改变DNA甲基化调节肠道微生物的方式较少被关注，可能与其调节黏膜屏障和黏液屏障功能相关。

综上，IBD患者存在DNA甲基化修饰异常和肠道菌群紊乱，探究肠道菌群和DNA甲基化修饰之间的互作机制，并且给予靶向干预，可能是未来防治IBD的潜在手段。

利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突

参考文献略

转自：中华炎性肠病杂志