哺乳動(dòng)物宿主和對(duì)其有益的共生微生物的共同進(jìn)化導(dǎo)致了宿主-微生物關(guān)系的發(fā)展[1]。表觀遺傳修飾使得哺乳動(dòng)物細(xì)胞能夠整合外界環(huán)境信號(hào)，促進(jìn)細(xì)胞對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。但是一直以來共生的腸道微生物來源的多種信號(hào)通路和多種環(huán)境信號(hào)是如何精密調(diào)控的還不甚清楚。

腸道上皮細(xì)胞位于微生物群和宿主之間的界面，促進(jìn)關(guān)鍵屏障的形成，在健康時(shí)期和損傷時(shí)期對(duì)腸道上皮進(jìn)行補(bǔ)充[2]。維持腸道上皮細(xì)胞分化過程中有多種表觀遺傳機(jī)制參與其中，其中HDACs的表達(dá)對(duì)于腸道穩(wěn)態(tài)非常關(guān)鍵[3]。腸道微生物來源的短鏈脂肪酸丁酸鹽（Butyrate）在體外抑制HDAC活性，丁酸鹽處理后的腸道組織上皮細(xì)胞中HDAC活性下降。在無菌鼠中植入產(chǎn)丁酸鹽的腸道微生物會(huì)抑制腸道上皮細(xì)胞中HDAC的活性。這些結(jié)果都說明腸道微生物來源的丁酸鹽抑制HDAC的活性。但是腸道微生物與組蛋白脫乙?；富钚灾g的調(diào)控機(jī)制是怎樣的還不得而知。

近日，美國(guó)辛辛那提兒童醫(yī)院醫(yī)療中心Theresa Alenghat研究組在Nature雜志上發(fā)表文章 Microbiota-derived metabolite promotes HDAC3 activity in the gut，發(fā)現(xiàn)腸道微生物來源的肌醇磷酸鹽能夠調(diào)節(jié)腸道內(nèi)組蛋白脫乙酰化酶HDAC3的活性從而促進(jìn)腸道上皮細(xì)胞的修復(fù)，揭開了宿主對(duì)于腸道微生物信號(hào)響應(yīng)的具體機(jī)制。

為了揭開腸道微生物衍生代謝產(chǎn)物與表觀遺傳信號(hào)之間的關(guān)系，作者們對(duì)野生型以及腸道上皮細(xì)胞HDAC3敲除小鼠中的HDAC活性進(jìn)性檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)野生型對(duì)照組小鼠中的HDAC3表達(dá)正常并且具有穩(wěn)定的酶活性，但是腸道上皮細(xì)胞HDAC3敲除小鼠則相反。作者們想知道HDAC3是否會(huì)特異性調(diào)節(jié)腸道微生物敏感的信號(hào)誘導(dǎo)。作者們發(fā)現(xiàn)HDAC1與HDAC2在腸道上皮細(xì)胞中也有表達(dá)，但并不能補(bǔ)償腸道上皮細(xì)胞中HDAC3表達(dá)的缺失。而且在對(duì)無菌鼠和腸道上皮細(xì)胞HDAC3敲除小鼠中的腸道上皮細(xì)胞施用HDAC廣譜抑制劑處理后，發(fā)現(xiàn)在HDAC3敲除后其他種類的HDACs仍然具有活性。這些結(jié)果說明腸道微生物促進(jìn)上皮細(xì)胞中HDAC3在正常腸道穩(wěn)態(tài)中的酶活性。

為了破譯腸道微生物激活HDAC3的具體機(jī)制，作者們對(duì)無菌鼠和正常培養(yǎng)的小鼠中腸道上皮細(xì)胞中的轉(zhuǎn)錄譜進(jìn)行解析。作者們發(fā)現(xiàn)在腸道微生物存在的上皮細(xì)胞中與肌醇磷酸代謝相關(guān)的基因被廣泛誘導(dǎo)表達(dá)。前人的研究發(fā)現(xiàn)肌醇三磷酸（Inositol trisphosphate）會(huì)通過強(qiáng)化HDAC3與激活蛋白的相互作用來增加HDAC3的活性[4]。作者們發(fā)現(xiàn)外加肌醇三磷酸的確會(huì)特異性增加HDAC3-NcoR重組蛋白的活性，NcoR蛋白對(duì)于HDAC3的脫乙酰化酶活性非常關(guān)鍵。

進(jìn)一步地，作者們想知道無菌鼠與對(duì)照組的小鼠腸道之間肌醇三磷酸水平是否存在差異。作者們發(fā)現(xiàn)對(duì)照組小鼠中無論是腸腔還是腸道上皮細(xì)胞中肌醇三磷酸的水平都顯著高于無菌鼠，說明腸道微生物的存在促進(jìn)肌醇三磷酸水平的增加。為了評(píng)估肌醇三磷酸對(duì)于腸道上皮細(xì)胞中HDAC3活性的影響，作者們對(duì)腸道上皮細(xì)胞中的HDAC3蛋白進(jìn)行純化并與肌醇三磷酸進(jìn)行共同孵育，發(fā)現(xiàn)肌醇三磷酸的確能夠增加內(nèi)源HDAC3的活性。而且丁酸酯造成的HDAC3活性的抑制也可以被肌醇三磷酸所拮抗。另外，作者們還發(fā)現(xiàn)共生的腸道微生物會(huì)通過肌醇六磷酸（Phytate）代謝途徑促進(jìn)腸道上皮細(xì)胞中的HDAC3的功能。與肌醇三磷酸相似，肌醇六磷酸也會(huì)誘導(dǎo)腸道上皮細(xì)胞中的HDAC3的活性。

為了檢測(cè)腸道微生物肌醇六磷酸依賴的代謝對(duì)于HDAC活性的影響，作者們對(duì)定植野生型以及肌醇六磷酸酶缺失型大腸桿菌的小鼠進(jìn)行分析。作者們發(fā)現(xiàn)定植肌醇六磷酸酶正常表達(dá)大腸桿菌的小鼠相較于無菌鼠以及肌醇六磷酸缺失型大腸桿菌小鼠的肌醇三磷酸水平升高。對(duì)小鼠進(jìn)行右旋糖酐硫酸酯鈉（Dextran sodium sulfate, DSS）處理后，會(huì)誘導(dǎo)小鼠產(chǎn)生腸道疾病。為了檢測(cè)肌醇三磷酸在DSS處理誘導(dǎo)的腸道疾病中的作用，作者們對(duì)無菌鼠施用肌醇三磷酸后發(fā)現(xiàn)肌醇三磷酸能夠促進(jìn)腸道從疾病中恢復(fù)并增加無菌鼠的壽命。DSS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎類似于病人中潰瘍性結(jié)腸炎。為了進(jìn)一步確認(rèn)腸道微生物代謝產(chǎn)物的功能，作者們對(duì)人類整合微生物組學(xué)計(jì)劃（Integrative Human Microbiome Project）[5] 中的健康樣本以及潰瘍性結(jié)腸炎患者的樣品進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在潰瘍性結(jié)腸炎病人腸道中肌醇六磷酸酶的豐度遠(yuǎn)低于健康樣本之中，說明肌醇六磷酸對(duì)于腸道損傷修復(fù)是必須的。

圖1 工作模型

總的來說，Alenghat研究組的工作發(fā)現(xiàn)相較于無菌鼠，腸道微生物存在的小鼠中HDAC3活性顯著提高，這一提高是通過共生的腸道微生物比如大腸桿菌肌醇六磷酸以及肌醇三磷酸的代謝形成的。另外，肌醇三磷酸會(huì)誘導(dǎo)病人來源的腸道類器官的生長(zhǎng)、刺激HDAC3依賴的細(xì)胞增殖以及拮抗丁酸酯引起的腸道生長(zhǎng)抑制，會(huì)促進(jìn)腸道疾病中上皮細(xì)胞的修復(fù)。因此，作者們鑒定發(fā)現(xiàn)了HDAC3作為宿主響應(yīng)多種腸道微生物信號(hào)的匯聚表觀遺傳因子的重要功能，揭開了腸道微生物、表觀遺傳因子以及微生物代謝產(chǎn)物在腸道上皮以及腸道疾病中的重要調(diào)控和修復(fù)作用（圖1）。

1. Honda, K. & Littman, D. R. The microbiome in infectious disease and inflammation. Annual review of immunology 30, 759-795, doi:10.1146/annurev-immunol-020711-074937 (2012).

2. Peterson, L. W. & Artis, D. Intestinal epithelial cells: regulators of barrier function and immune homeostasis. Nature reviews. Immunology 14, 141-153, doi:10.1038/nri3608 (2014).

3. Alenghat, T. et al. Histone deacetylase 3 coordinates commensal-bacteria-dependent intestinal homeostasis. Nature 504, 153-157, doi:10.1038/nature12687 (2013).

4. Watson, P. J., Fairall, L., Santos, G. M. & Schwabe, J. W. Structure of HDAC3 bound to co-repressor and inositol tetraphosphate. Nature 481, 335-340, doi:10.1038/nature10728 (2012).

5. Lloyd-Price, J. et al. Multi-omics of the gut microbial ecosystem in inflammatory bowel diseases. Nature 569, 655-662, doi:10.1038/s41586-019-1237-9 (2019).