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近年来，肠道疾病（如炎症性肠病、结直肠癌等）的全球发病率持续攀升，已成为威胁公共健康的重大挑战。这类复杂疾病的致病机制涉及多因素交互作用，传统治疗手段因难以精准调控宿主反应而面临瓶颈。值得注意的是，肠道菌群作为肠道微生态的核心调控者，其与宿主表观遗传修饰的互作正逐渐成为解析肠道疾病发病机制的关键突破口。
西南大学动物科学技术学院夏耀耀研究员、赵轩副教授、李家维副教授团队合作的最新综述系统梳理了肠道菌群与宿主表观遗传修饰的双向调控网络及其在肠道疾病中的病理意义。研究指出，肠道菌群可通过代谢产物（如短链脂肪酸、胆汁酸衍生物）或结构成分（如脂多糖、肽聚糖），直接或间接调控宿主细胞内DNA甲基转移酶活性、组蛋白乙酰化/甲基化水平，以及非编码RNA（如miRNA、lncRNA）的表达，进而影响关键基因的表观遗传编程。这些发现揭示了肠道菌群不仅是“环境信号源”，更是宿主表观遗传调控网络的重要“编程者”。
基于动物模型或人类细胞的机制研究也表明，肠道菌群和其他环境因子通过宿主表观遗传失调影响靶基因表达并激活免疫通路，这与IBD和CRC的发展密切相关。此外，包括益生菌、益生元和后生元、粪菌移植（FMT）、饮食调整以及噬菌体疗法在内的潜在微生物干预措施，已被提出作为纠正与这些疾病相关的异常表观遗传模式的创新治疗策略。肠道菌群与表观遗传修饰的互作已成为解析肠道疾病发病机制的核心视角，也是开发创新疗法的关键靶点。深入阐明二者的分子对话网络，不仅有望揭示“菌群-宿主”互作的本质，更为突破现有治疗瓶颈、实现肠道疾病的精准防控开辟了新方向。
（DOI:10.1080/19490976.2025.2508426）
一、肠道菌群与表观遗传修饰的联系
尽管同卵双胞胎小鼠具有相同的基因型，但由于菌群或表观基因组的差异，它们对疾病的易感性也会有所不同，这表明潜在的环境因子对细菌组成和疾病易感性有影响。共生微生物在肠道上皮细胞（IECs）附近大量存在，揭示了菌群作为主要环境刺激源在塑造宿主细胞功能中所发挥的重要作用。菌群介导的表观遗传修饰是菌群能够对环境刺激做出反应并重编程基因组的关键通路，从而触发多种细胞功能（图1）。
图1：肠道菌群通过产生表观遗传底物或作为染色质修饰酶的调控因子与哺乳动物表观基因组互作。
- DNA甲基化和组蛋白甲基化：DNA甲基化通常与启动子处转录起始抑制相关。由乳酸杆菌和双歧杆菌产生的叶酸可以通过叶酸和蛋氨酸循环合成甲基供体S-腺苷甲硫氨酸（SAM），进而参与DNA/组蛋白（a）甲基化和N6-甲基腺苷（m6A）（f）修饰。
- 组蛋白乙酰化：细胞外短链脂肪酸（SCFAs）通过单羧酸转运蛋白（MCTs）和钠依赖性单羧酸转运蛋白（SMCTs）进入结肠细胞。SCFAs通过抑制组蛋白去乙酰化酶（HDACs）活性，影响组蛋白乙酰化、去乙酰化和巴豆酰化（f）。由SCFAs代谢产生的乙酰辅酶A和酰基辅酶A可用于组蛋白乙酰化。
- 非编码RNA：肠道菌群可以影响非编码RNA表达，而非编码RNA表达变化也可以影响肠道菌群丰度。
- 组蛋白乳酸化：乳酸通过单羧酸转运蛋白（MCTs）跨质膜转运。乙酰辅酶A合成酶2（ACCS2）和赖氨酸乙酰转移酶2A（KAT2A）作为乳酸辅酶A合成酶和乳酸转移酶，而HDACs或SIRT则作为eraser蛋白。
- 组蛋白巴豆酰化：丁酸和巴豆酸分别通过丁酰辅酶A脱氢酶（BCDH）和ACCS2代谢为巴豆酰辅酶A，从而促进组蛋白的赖氨酸巴豆酰化（kcr）。
- m6A：丁酸进入三羧酸（TCA）循环，产生中间产物α-酮戊二酸（α-KG），有助于RNA去甲基化。胆汁酸和维生素B12可以影响烷基化双加氧酶家族的表达。此外，肠道菌群可以通过AMPK/SIRT1信号通路调控FTO表达。
DNA甲基化、组蛋白甲基化/乙酰化
DNA甲基化是一种通过改变基因表达来调控细胞功能的生物化学信号机制，其作用机制包括调节DNA构象/稳定性以及染色质结构。在哺乳动物中，表观遗传修饰变化和可逆性由修饰酶调控。肠道菌群通过调控DNA甲基化影响宿主生理功能。例如，将未成熟的肠上皮细胞（IECs）暴露于乳酸杆菌和双歧杆菌中，可以鉴定出超过200个差异DNA修饰区域。另一项研究表明，与无菌（GF）小鼠相比，常规饲养（CNV）小鼠的IECs中整体甲基化水平显著降低。此外，共生菌群暴露诱导了TET2/3的DNA低甲基化，这是关键的表观遗传调控元件，从而塑造了基因表达模式。
肠道菌群主要通过两种机制调节宿主DNA甲基化。首先，微生物代谢产物如短链脂肪酸（SCFAs，例如丁酸和丙酸）、叶酸和S-腺苷甲硫氨酸（SAM）可以作为直接的甲基供体或调节甲基化相关酶活性（图1a）。例如，由双歧杆菌和乳酸杆菌产生的叶酸通过一碳代谢合成SAM，促进DNA甲基化。甲基供体如蛋氨酸（MET）、SAM和叶酸是一碳代谢的关键组成部分。一碳代谢中甲基转移的关键酶或辅酶，包括维生素B2、B6和B12，对于促进甲基转移至关重要。其次，菌群或其代谢产物直接调控DNMTs和TETs。例如，研究表明肠道菌群调控TET1表达以影响DNA羟甲基化，调节天然淋巴细胞分化的表观遗传程序，从而影响ILC1扩张和肠道稳态。
肠道菌群还调控组蛋白修饰。在无菌（GF）和抗生素处理（ABX）的小鼠中，观察到组蛋白修饰显著变化，特别是H3K4me3和H3K27me3。此外，GF小鼠的上皮细胞中组蛋白H4的乙酰化水平降低。短链脂肪酸（SCFAs）是表观遗传酶活性的关键底物和辅因子（图1b）。由梭菌产生的丁酸是一种强大的内源性组蛋白去乙酰化酶抑制剂（HDACi）。例如，由菌群产生的丁酸通过调节组蛋白去乙酰化酶3（HDAC3）抑制绒毛细胞扩张，这对于绒毛细胞的过度增殖、2型免疫和肠道分化至关重要。同样，丁酸通过抑制HDAC和激活p38 MAPK来促进B10细胞分化，从而改善结肠炎和关节炎。另一方面，丁酸可以在细胞内代谢生成乙酰辅酶A，这是HATs的关键底物。早期细胞培养研究表明，丁酸可能作为组蛋白乙酰化的碳（C）供体，这一点通过14C掺入组蛋白和从组蛋白水解中检测到的13C标记的乙酸得到证实。为验证菌群在组蛋白乙酰化中的代谢作用，同位素追踪实验表明，组蛋白乙酰基团掺入了来自丁酸和膳食纤维的碳。这些发现验证了肠道微生物代谢产物、细胞代谢和表观遗传调控之间的直接联系，其中不同的酰化修饰由其各自代谢底物的细胞浓度驱动。
非共价修饰
非共价修饰，特别是由非编码RNA（ncRNA）介导的修饰，包括微小RNA（miRNA）和长链非编码RNA（lncRNA），是启动和维持表观遗传变化的关键因子。这些ncRNA是表观遗传谱的关键调节因子，在调节多种疾病的基因表达中具有重要意义。
miRNA
miRNA因其与宿主及其菌群的相互作用而受到越来越多的关注（图1c）。将无菌（GF）小鼠用无病原体对照组的菌群定植，会发现在回肠和结肠中miRNA表达谱失调。同样，粪菌移植（FMT）诱导的菌群变化可以改变粪便中miRNA谱，表明肠道菌群参与调节肠道miRNA表达。此外，益生菌植物乳杆菌副干酪亚种LC01（L.casei LC01）已被证明通过下调miR-144的表达来抑制肠上皮细胞（IECs）的肠道通透性，从而改善肠道稳态。尽管菌群诱导miRNA表达变化的确切机制尚不清楚，但人们认为它们主要受到菌群衍生代谢产物（如短链脂肪酸）的影响。研究表明，丁酸和乙酸浓度增加上调了miR-378a启动子的DNA甲基化水平，从而影响miR-378a表达。然而，需要进一步研究以阐明肠道菌群或相应代谢产物调节miRNA产生的具体步骤，例如pre-miRNA剪接、转运和/或RNA聚合酶活性。
有趣的是，肠道菌群和miRNA之间存在双向通信，miRNA也可以通过进入细菌并调节细菌基因转录来影响细菌丰度。例如，miR-1226-5p和miR-515-5p可以穿透具核梭杆菌（F. nucleatum）和大肠杆菌（E. coli），通过调节细菌基因表达来调节它们的生长。同样，gga-miR-222a已被证明可以穿透脆弱拟杆菌NCTC 9343，导致其在对数生长期的丰度增加。此外，下调的miR-30a-5p在鼠类和人类粪便中特异性地抑制了乳酸杆菌生长。尽管这些发现表明miRNA可以影响细菌丰度，但需要进一步广泛的研究来阐明个别miRNA影响不同肠道菌群的具体机制。
lncRNA
同样，lncRNA转录本变化也与肠道菌群有关（图1c）。与无菌（GF）小鼠相比，特定肠道菌群定植的小鼠的lncRNA表达谱发生了显著变化，其中大多数差异表达的lncRNA具有菌株特异性。其中一个基因lncRNA Snhg9，在GF小鼠中高表达。菌群通过在肠道上皮细胞中抑制lncRNA Snhg9来调节宿主的脂质代谢，从而调节PPARγ/SIRT1/CCAR2轴，并影响脂质吸收和肥胖。轻度结肠炎的菌群通过抑制lncRNA Snhg9/SIRT1/CCAR2/p53轴有效地缓解了小鼠中结直肠癌（CRC）进展。这些发现表明，肠道菌群可以塑造lncRNA表达，从而影响宿主代谢。此外，HCT116细胞在被鼠伤寒沙门氏菌SL1344感染或暴露于其他肠道致病菌产生的脂多糖（LPS）后，致癌性lncRNA LINC00152的表达显著增加。反过来，LINC00152表达增加可以增加肿瘤组织中LPS丰度。同样，具核梭杆菌通过靶向lncRNA EN01-IT1/miR-22-3p轴在新生儿坏死性小肠结肠炎（NEC）中诱导炎症。在结核病感染期间，脆弱拟杆菌（B. fragilis）直接调控lncRNA-CGB，而lncRNA-CGB与EZH2的互作则负调控H3K27Me3的表观遗传程序，最终促进IFN-γ表达。总的来说，通过lncRNA，肠道菌群可能影响比预期更多的基因。
m6A
研究表明，肠道菌群变化与无菌（GF）和正常小鼠之间的盲肠m6A修饰有关。进一步研究表明，菌群缺失会下调甲基转移酶Mettl16，导致其靶mRNA（编码S-腺苷甲硫氨酸合成酶Mat2a）的m6A甲基化减少，而特定的细菌种类，如阿克曼菌（Akkermansia muciniphila）和植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum），调节不同的m6A修饰。此外，与特定病原体自由（SPF）小鼠相比，GF小鼠在大脑组织中的m6A修饰模式存在显著差异，同时甲基转移酶类似物3（METTL3）和METTL14以及去甲基化酶（烷基化双加氧酶家族5，ALKBH5和肥胖相关蛋白，FTO）的表达也存在差异。此外，m6A修饰水平也受特定微生物调控。在热灭活的鼠伤寒沙门氏菌感染后，THP-1细胞中的整体m6A水平显著增加，这依赖于Wilms肿瘤1相关蛋白（WTAP）表达。在用大肠杆菌处理的MAC-T细胞中，与对照组相比，观察到m6A修饰peaks总数存在显著差异。乳酸杆菌和双歧杆菌也被证明可以提高肠道组织总RNA中的m6A水平，确保正常的肠道发育。反过来，当m6A修饰酶活性发生变化时，肠道菌群组成也会相应变化。与对照组相比，METTL14缺失小鼠的肠道菌群分类组成发生变化，包括肠杆菌科、Lachnospiraceae、Helicobacteraceae和拟杆菌科。此外，FTO缺陷小鼠的Helicobacter、乳酸杆菌和拟杆菌丰度发生显著变化，这与抑制炎症相关。
与DNA甲基化类似，肠道菌群代谢产物对甲基供体水平的影响是促进m6A修饰变化的关键因子之一（图1f）。例如，维生素B12作为甲基转移反应酶的辅因子，对于在mRNA上腺苷的甲基化沉积至关重要。Mosca及其同事的研究表明，在维生素B12缺乏的神经细胞中，FTO表达显著上调，同时整体m6A低甲基化。脱氧胆酸（DCA）通过m6A依赖性机制调控miR-92b-3p表达，从而介导PI3K/AKT通路失活，抑制胆囊癌（GBC）进展。在多囊卵巢综合征（PCOS）小鼠中补充丁酸，通过下调METTL3表达改善卵巢功能，从而降低Fosl2的m6A甲基化水平，降低炎症细胞因子IL-6和TNF-α表达。值得注意的是，肠道微生物代谢产物已被报道通过调控α-酮戊二酸（αKG）水平来调节m6A修饰。已知亚铁离子和αKG是FTO和ALKBH5的共底物，其可以氧化m6A上的N-甲基基团。当丁酸进入三羧酸（TCA）循环时，αKG浓度增加，有效降低m6A水平。最近的一项研究发现，烷基化双加氧酶家族的激活依赖于主要底物诱导αKG的金属中心构象转变，从而将Fe(II)原子暴露给进入的氧气，从而引发二级反应。最后，肠道菌群诱导的信号通路的激活也可能是影响m6A水平变化的一个潜在因子。植物乳杆菌可以通过激活AMPK/SIRT1通路促进FTO降解，通过RANBP2介导的FTO泛素化增强FTO的降解，从而影响m6A水平。因此，这些发现表明，肠道菌群可以通过其代谢产物调节甲基供体的可用性、αKG水平或信号通路来调节宿主的m6A修饰谱。
二、环境与生活方式因子在肠道菌群-表观遗传互作中的作用
理解外部因子如何塑造肠道菌群的组成和表观遗传修饰对于揭示它们在健康和疾病中的作用至关重要。环境污染、吸烟、饮酒和饮食等环境因子已被证明会破坏微生物的稳态，导致宿主表观遗传变化。这些变化可能导致免疫失调、慢性炎症和疾病易感性增加。更深入地讨论这些相互作用将有助于我们理解环境暴露如何影响肠道菌群和表观遗传调控，最终影响疾病进展和治疗结果。
空气污染与肠道菌群失调
空气污染是全球公共健康面临的最严重的环境威胁之一，每年因室外空气污染导致约420万人过早死亡。自婴儿期起，空气污染就对肠道菌群的组成和多样性产生了显著影响。在6个月大时，暴露于PM10中与Dialister、Dorea、Acinetobacter和Campylobacter的相对丰度呈正相关，而暴露于PM2.5与放线菌的相对丰度呈正相关。不同的环境污染物可能通过促进或抑制特定细菌属的生长而产生选择性影响。高浓度臭氧（O3）暴露与肠道细菌多样性降低和Bacteroides caecimuris丰度增加有关。在暴露于PM2.5的小鼠模型中，观察到促炎细菌如具核梭杆菌（Fusobacterium nucleatum）的丰度增加，而丁酸产生菌如Faecalibacterium prausnitzii的丰度减少，这可能导致肠道屏障功能受损。此外，暴露于环境毒素（包括双酚类、邻苯二甲酸盐和全氟烷基物质）与肥胖和胰岛素抵抗的发展有关，这可能是通过肠道菌群失调和循环次级胆汁酸谱的变化介导的。高浓度化学污染物暴露与特定细菌属（如Anaerostipes、Alistipes、Bacteroides、Bifidobacterium和Clostridium）的相对丰度增加有关。
环境污染物暴露与肠道菌群变化之间的强关联表明，环境因子（如空气污染）可能通过菌群和特定表观遗传修饰对炎症性肠病（IBD）等疾病产生影响。长期暴露于高浓度二氧化氮和PM2.5与早发性克罗恩病（CD）风险增加有关。居住在二氧化硫浓度较高的地区的个体患溃疡性结肠炎（UC）的风险也比居住在低浓度地区的个体高。空气污染对IBD的影响可能是通过菌群和特定表观遗传修饰介导。一项表观遗传孟德尔随机化（MR）分析发现，与PM2.5和NO2暴露相关的甲基化CpG位点分别为5个和22个，其中CXCR2和MHC III类区域的甲基化变化尤为显著，这些变化与UC显著相关。
吸烟和饮酒
吸烟作为一种独特的吸入性环境暴露，是影响IBD进展过程中研究最为广泛的因子之一。吸烟引起的炎症会导致表观遗传变化，如DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA（ncRNA）。Zhang等的研究发现，在前瞻性队列分析中，与非吸烟者相比，当前吸烟者和前吸烟者患CD（p=7.09×10^-10）和UC（p＜2×10^-16）的风险更高。随后的全基因组甲基化和共定位分析确定了Dnmt3a、Ahrr和Lta/Tnf位点的DNA甲基化变化，这些变化可能是吸烟影响IBD易感性的关键表观遗传位点。在吸烟引起的组蛋白修饰方面，烟草通过上调HATs和下调SIRT 17促进组蛋白的高乙酰化。这可以增加与NF-κB信号通路相关的促炎基因的转录，如IL-1β、TNF-α和IL-6，最终引发慢性炎症。
尽管慢性饮酒通常与肝脏损伤有关，但饮酒频率是影响肠道菌群组成的一个重要因子。慢性或过量饮酒显著降低了肠道菌群的α多样性，并改变了厚壁菌门与拟杆菌门的比例，这种变化与代谢紊乱有关。
饮食与菌群-表观遗传互作
饮食塑造了宿主与其共生肠道细菌之间的复杂互作，进一步增强了宿主-微生物关联的可塑性，最终影响宿主健康。
许多研究目前集中在哺乳动物饮食与表观遗传学之间的联系上，以阐明饮食暴露对代谢性疾病的潜在影响。营养物质的可用性，由饮食和能量平衡决定，影响特定能量代谢物的水平，这些代谢物是表观遗传酶的关键辅助因子，从而影响基因表达的表观遗传调控。例如，缺乏甲基基团和叶酸的饮食显著降低了雄性大鼠和小鼠肝脏中的SAM水平，导致整体DNA低甲基化。同样，饮食中加入甜菜碱、环亮氨酸和姜黄素等成分已被证明可以影响m6A RNA甲基化模式，从而改变基因表达和整体表型。环亮氨酸是蛋氨酸腺苷基转移酶的竞争性和可逆性抑制剂，通过降低SAM水平抑制甲基化。姜黄素改变了体内和体外微小RNA的表达谱，m6A的形成通过METTL3与mRNA底物的结合由miRNA调节。特别是，饮食通过肠道微生物的代谢直接影响表观遗传修饰。饮食中的膳食纤维被肠道微生物发酵产生短链脂肪酸（SCFAs），通过抑制组蛋白去乙酰化酶（HDACs）增强组蛋白乙酰化。此外，高脂饮食通过肠道微生物代谢增加尿黑酸（HGA）丰度，HGA升高了白色脂肪组织中Ehmt2的m6A水平，降低了Ehmt2蛋白表达和H3K9me2水平，在小鼠中导致代谢紊乱。总之，这些证据表明饮食、肠道微生物和表观遗传学之间存在直接联系，表明饮食干预可能是疾病治疗的有效方法。
三、抗生素暴露与菌群-表观遗传互作
虽然抗生素主要用于对抗细菌感染，但越来越多的证据表明，其影响不仅限于微生物的清除，还包括通过表观遗传机制对宿主基因表达产生深远且持久的影响。早期的一项研究表明，产前抗生素暴露可能与出生体重有关，并与五个位点的差异DNA甲基化相关：Igf2（p=0.05）、H19（p=0.15）、Plagl1（p=0.01）、Meg3（p=0.006）和Peg3（p=0.08）。研究表明，生命早期的抗生素暴露会降低肠道微生物多样性，并改变特定细菌类群丰度，包括脆弱拟杆菌和双歧杆菌减少，以及普通拟杆菌、克雷伯菌和肠球菌增加。这种菌群失调与肠道通透性增加、炎症反应增强和抗菌肽表达增加有关，同时短链脂肪酸（SCFAs）水平降低。SCFAs减少可能通过改变组蛋白乙酰化水平影响免疫相关基因（如FOXP3）表达，从而损害调节性T细胞分化。重要的是，流行病学研究表明，生命早期暴露于抗生素与日后患炎症性肠病（IBD）的风险增加有关，这可能是由于在关键发育时期抗生素诱导的肠道菌群失调所致。此外，抗生素诱导的肠道菌群失调显著改变了传统小鼠的胆汁酸代谢，而胆汁酸失衡对宿主的m6A甲基化水平产生深远影响。总之，生命早期抗生素暴露引起的肠道菌群和表观遗传调控的破坏可能是理解抗生素相关代谢失调的一个关键窗口，值得进一步深入研究。
四、肠道菌群、表观遗传学与疾病的互作：因果关系还是相关性？
肠道菌群诱导的表观遗传失调在炎症性肠病（IBD）和结直肠癌（CRC）进展中的作用程度仍然知之甚少。尽管有大量证据将这些表观遗传变化与疾病发展联系起来，但现有数据是分散的，缺乏全面的综合分析。因此本小节作一系统性概述，重点研究菌群诱导的表观遗传调控在IBD和CRC中的作用，以及涉及的潜在机制。
炎症性肠病（IBD）：肠道菌群失调与IBD的发生发展密切相关。肠道菌群通过调节宿主的表观遗传修饰，影响肠道免疫反应和炎症过程。例如，某些细菌可以调节宿主细胞中的DNA甲基化和组蛋白修饰，从而影响炎症相关基因的表达。
结直肠癌（CRC）：肠道菌群失调也与CRC的发生发展有关。某些细菌可以调节宿主细胞的表观遗传修饰，促进肿瘤的发生和进展。例如，Fusobacterium nucleatum可以通过调节宿主细胞中的DNA甲基化和miRNA表达，促进CRC的发生和转移。
肠道菌群对宿主表观基因组的影响：IBD起源的关键环境因子
IBD的最显著特征是胃肠道的慢性炎症和肠道菌群失调。但宿主在IBD发病过程中整合共生微生物信号的机制尚不清楚。
最近的研究表明，IBD进展与DNA甲基化模式变化强相关。一项针对苏格兰成年人的研究发现，与IBD相关关键基因的甲基化水平存在显著差异，其中一些差异在北美一组未经治疗的儿童CD患者中得到了独立验证。最近在欧洲进行的一项前瞻性病例对照研究，涉及295例IBD病例，发现了137个差异甲基化位点。Vmp1/Mir21和Rps6ka2在斯堪的纳维亚和英国的IBD特异性甲基化组中表现出一致的模式，表明在具有共同祖先血统的地区内IBD特异性甲基化组的稳定性。该研究还揭示了促炎基因Osm的显著甲基化差异，该基因在IBD中上调。此外，对229例需要肠道切除的CD患者的全基因组甲基化分析发现，术后复发与Whsc1和Efna3等五个特定甲基化位点强相关。这些证据强调了表观遗传变化可能为IBD这种复杂疾病的基因-环境相互作用提供重要见解。
由于IBD的发病机制相当复杂，探索肠道菌群和表观遗传学在肠道疾病中的真实情况相当困难。表观遗传修饰被认为受外部环境的影响，而肠道菌群是能够影响表观遗传学的重要因子。本质上菌群失调引发了表观遗传变化，这些变化随后改变了基因表达和免疫功能，最终影响疾病的发展（图2和表1-2）。
图2：肠道菌群诱导的表观遗传修饰促进炎症性肠病（IBD）。 肠道菌群失调是IBD共同演变的标志，其特征是微生物多样性降低。肠道菌群可以调控DNA甲基化（a）、组蛋白修饰（b）、lncRNA（c）、miRNA（d）和N6-甲基腺苷（m6A）（e），同时表观遗传修饰变化可以重塑肠道菌群组成或影响特定细菌定植。这些互作通过促进1/17型辅助T细胞（Th1/17）免疫反应、影响巨噬细胞极化状态或抑制自噬来加剧肠道炎症。红色向上箭头表示基因表达水平增加，蓝色向下箭头表示基因表达水平减少。
表1：肠道菌群对IBD和CRC表观遗传调控的作用。
表2：代谢物对IBD和CRC表观遗传调控的作用。
肠道菌群诱导的DNA/组蛋白修饰变化参与IBD发病机制
最近，迅速发展的表观遗传学领域为理解环境变化如何触发“疾病记忆”以及决定IBD中细胞的表型和功能提供了新见解（图2a、b）。一项相关研究发现，克罗恩病（CD）患者与健康个体之间存在显著的上皮细胞DNA甲基化差异，这些差异与菌群组成相关。在由硫酸葡聚糖钠（DSS）诱导的急性炎症小鼠模型中，暴露于菌群会导致调控元件处的DNA甲基化和染色质可及性发生改变，从而导致与炎症相关的基因表达发生变化。这一过程主要与菌群诱导的TET2/3依赖性增强子去甲基化相关。同时，在CD患者中观察到菌群诱导的组蛋白甲基化发生改变，特别是H3K4me3。对共生细菌敏感的基因一部分在小鼠IECs中表现出与CD患者观察到的相似的H3K4me3特征。重要的是，特定细菌可以通过表观遗传机制影响IBD的进展。具核梭杆菌的富集会增加UC患者基因启动子部分DNA甲基化水平。在三硝基苯磺酸（TNBS）和DSS诱导的小鼠结肠炎模型中，长双歧杆菌（B. Longum）和拟杆菌（B. thetaiotaomicron）通过调控Foxp3启动子区的DNA甲基化水平影响Treg细胞分化和抗炎细胞因子IL-22产生。而DNA或组蛋白修饰变化又会影响肠道菌群定植，从而加剧结肠炎。例如，AIEC通过1型菌毛与CD回肠黏膜上的CEACAM6受体之间的相互作用黏附于肠上皮细胞。特别是，异常DNA甲基化上调CEACAM6表达，使AIEC能够更高效在肠道中定植并诱导结肠炎。另一项研究表明，HDAC1表达是抑制AIEC定植所必需，而HDAC5表达则有利于AIEC侵入。
肠道菌群失调触发的表观遗传调控主要通过两种机制促进IBD发病。第一种机制涉及肠道微生物代谢物影响表观遗传修饰酶表达。例如，短链脂肪酸（SCFAs）减少会引发异常的DNA/组蛋白修饰，增加肠道炎症易感性，从而增加IBD风险。丁酸可以通过作为组蛋白去乙酰化酶抑制剂（HDACi）来促进肠道免疫细胞的表观遗传重塑，并通过抑制NF-κB通路减少肠道炎症。丁酸还通过上调长链非编码RNA Ly6C表达来降低IBD的风险（图2c）。这种上调随后促进了C/EBPβ和Nr4a1启动子上的H4K4me3表达。微生物衍生的乙酸通过Tarag转运体进入肠内分泌细胞，并调节组蛋白乙酰化，从而通过Tip60-类固醇激素轴促进免疫缺陷（IMD）信号，该轴将代谢和肠道固有免疫联系起来。此外，拟杆菌thetaiotaomicron通过增加AhR配体（如3-吲哚乙酸和3-吲哚丙酸）的水平来增强AhR激活，这与T细胞中转录因子表达谱的改变有关。研究表明，AhR可以选择性地结合未甲基化的外源性反应元件（XREs），表明AhR可能作为DNA甲基化的“reader”，在应激反应通路中发挥作用。相比之下，IBD患者中失调的色氨酸代谢导致AhR配体水平降低，加剧肠道炎症。由植物酸代谢产生的微生物衍生的肌醇-1,4,5-三磷酸（InsP3）消除了丁酸对肠道HDAC3的抑制作用，从而激活HDAC3。肠道特异性敲除表观遗传酶HDAC3抑制了树突细胞的扩张，并在蠕虫感染期间损害了2型免疫反应。据报道，乳酸在CD和UC患者中升高。尽管尚不清楚乳酸升高是否影响人类IBD中Kla的进展，但在结肠炎小鼠中，工程化的酿酒酵母（高乳酸产生）显示出良好的抗炎活性和改善的组织损伤。乳酸通过促进H3K9ac和H3K18lac的产生以及抑制炎症细胞因子的分泌，减轻DSS诱导的结肠炎，同时增加菌群多样性。
第二种机制在于肠道微生物代谢物浓度对表观遗传底物的调节。参与DNA/组蛋白和m6A甲基化的常见甲基供体，如叶酸、维生素B12和胆碱，在IBD中水平降低。研究表明，IBD患者常常面临叶酸和维生素B12不足的风险。补充叶酸、维生素B12和胆碱等甲基供体可以增加后代对DSS诱导的结肠炎的易感性，部分原因是抗炎基因的异常甲基化。进一步研究应集中在阐明不同代谢物对特定表观遗传修饰的影响，同时进行临床试验以验证这些发现的临床相关性。
肠道菌群与m6A在IBD中的相互作用
研究肠道菌群与m6A修饰对IBD进展的相互关系的研究大多数研究集中在小鼠模型上。在相关研究中，小鼠中MEETL14缺失可以引发更严重的结肠炎。进一步研究发现，这种结肠炎以炎症细胞的过度浸润、Th1和Th17细胞因子水平的增加为特征，并伴有肠道菌群失调。此外，LPS刺激的巨噬细胞中METTL3的表达增强，而巨噬细胞中METTL3过表达可以通过调节NF-κB信号通路来减轻LPS诱导的炎症。总之，肠道菌群和m6A在IBD中的相互作用仍然是一个复杂且错综复杂的领域。
五、肠道菌群失调、表观遗传变化与结直肠癌（CRC）进展的相关性
肠道菌群的生态失衡在CRC进展中起着重要作用。菌群失调与CRC发生有关，但尚不清楚它们是独立作用还是与其他微生物协同作用以加速其发展。此外，特定的微生物代谢产物，如短链脂肪酸（SCFAs），作为信号分子调节宿主表观基因组，从而干预癌症过程。癌症过程通常与肿瘤抑制基因的沉默和癌基因的不受控制的激活密切相关，涉及表观遗传因子（如DNA和组蛋白甲基化以及非编码RNA）的复杂调控。此外，异常的表观遗传信号可以影响肠道菌群的定植。宿主表观基因组与微生物组之间的双向调控轴不仅影响基因表达谱，还影响免疫反应和代谢通路；这种动态调控相互作用对于理解CRC发病机制至关重要（图3和表1-2）。
图3：肠道菌群失调通过表观遗传机制促进CRC进展。
在CRC中观察到富集的致癌病原微生物，如产肠毒素脆弱类杆菌（ETBF）、具核梭杆菌（F. nucleatum）和pks+大肠杆菌（pks+ E.Coli）。这些病原微生物或肠道中的代谢产物通过与表观遗传修饰（包括DNA甲基化、组蛋白乙酰化、非编码RNA和m6A）互作，参与肿瘤发生和进展。
肠道菌群与DNA甲基化在CRC中的相互作用
将新鲜粪便样本从CRC患者及其健康对照组转移到无菌（GF）小鼠后，前者组显示出增强的结肠上皮细胞更新、更高的癌前病变发生率以及外周血液中DNA甲基化增加。尤其是多个基因启动子（如Sept9、Wif1和Penk）在CRC中表现出高甲基化，但在正常组织中则没有。尽管对CRC中的甲基化特征有广泛了解，但很少有研究调查参与调节CRC甲基化的特定细菌以及这一调节过程的潜在机制。为此，一项基于人群的研究表明，CRC组织中具核梭杆菌的大量存在与CpG岛甲基化表型（CIMP）高以及患者预后不良有关。wang等人通过多组学分析揭示了具核梭杆菌增加与丁酸衍生物4-羟基丁酸（4-HB）的减少密切相关。因此，具核梭杆菌对宿主DNA甲基化作用可能通过丁酸介导。xia等人表明，具核梭杆菌和哈氏菌（Hungatella hathewayi）通过上调DNMT表达促进肿瘤抑制基因启动子的高甲基化。
同时，初步实验正在探索产肠毒素脆弱类杆菌（ETBF）对表观基因组的影响。相关研究表明，在Apcmin/+小鼠中接种ETBF会导致DNMT1招募，这可能由错配修复蛋白介导。ETBF分泌的脆弱拟杆菌毒素（BFT）是其毒性因子。研究表明，BFT刺激导致染色质可及性增加，主要与增强子区域和AP-1/ATF家族转录因子的结合位点相关，这些位点在CRC中也富含常见的差异甲基化区域（DMRs）。目前的研究仅限于少数几种细菌，缺乏对微生物组对CRC DNA甲基化影响的全面了解。其他共生微生物也可能很重要。微生物组分析可以改善与癌症风险相关的CpG甲基化靶标的鉴定，并增强环境风险标记物。
肠道菌群与组蛋白修饰在CRC中的相互作用
尽管短链脂肪酸（SCFAs），特别是丁酸，被认为有助于结肠细胞功能并降低CRC风险，但探索其基因调控机制为CRC干预提供了新途径。微生物代谢产生的结肠SCFAs通过直接的组蛋白修饰增强上皮稳态基因表达通路，并减轻致癌过程。Nshanian等人研究了SCFA代谢产物丙酸和丁酸在结直肠癌和正常细胞中的表观遗传调控作用。利用多组学方法，作者扩展了SCFAs的非组蛋白去乙酰化酶抑制剂（HDACi）功能，并绘制了CRC细胞中丙酰化和丁酰化H3K18和H4K12的全基因组定位。这些发现强调了饮食、微生物代谢和表观遗传学在塑造组织生理和癌症易感性方面的相互作用。此外，最近的一项研究考虑特定组蛋白修饰，研究了丙酸对CRC的影响。Ryu及其同事表明，丙酸通过上调HECTD2促进EHMT2的蛋白酶体降解，从而抑制CRC生长。通过更具体的位点分析，发现EHMT2的下调降低了Tnfaip1启动子上的H3K9me2水平，进而导致TNFAIP1的上调以及CRC细胞中凋亡的诱导。这些发现表明，将组蛋白修饰抑制剂与微生物组结合可能为CRC带来新的治疗方法。需要进一步研究以了解连接微生物组、代谢产物和组蛋白修饰酶的具体分子通路。
肠道菌群与m6A在CRC中的相互作用
越来越多的证据表明，m6A修饰与微生物组之间的相互作用与CRC的致癌作用有关。最近的一项研究表明，具核梭杆菌在CRC细胞中诱导低m6A水平。具体来说，具核梭杆菌通过激活YAP信号通路抑制FOXD3（METTL3的转录调控因子）。因此，METTL3表达减少抑制了YTHDF2介导的Kif26b降解，而Kif26b是CRC侵袭性和转移的关键基因。此外，丁酸梭菌（Clostridium butyricum）已被发现对肿瘤细胞增殖具有抑制作用。重要的是，丁酸梭菌已被证明以m6A依赖性方式抑制CRC。丁酸梭菌处理可以通过下调CRC细胞中的METTL3表达来抑制与EMT相关基因（Snail、Slug、Zeb1）和VEGFR2的表达，从而减少EMT和血管生成拟态（VM）形成。同样，丁酸可以通过抑制METTL3表达和相关细胞周期蛋白E1来抑制CRC进展。因此，这些发现表明，微生物组介导的m6A修饰可能是影响CRC进展的重要因子。然而，需要进一步研究以探索肠道菌群与RNA m6A修饰之间的潜在相互作用，旨在增强其在CRC发展中的作用的理解。
六、肠道菌群或其代谢物对表观遗传学的作用：肠道菌群干预治疗IBD和CRC的前景
随着对肠道微生物组在疾病发展中的作用的理解不断加深，调节肠道菌群以恢复微生物稳态作为一种预防和治疗疾病的策略正逐渐显现其潜力。此外，微生物组分析与表观遗传学研究的交叉不仅加深了对疾病机制的理解，还为靶向治疗干预开辟了新思路。目前，有关益生菌、益生元、后生元、饮食、粪菌移植（FMT）和噬菌体（phages）的研究正在进行中。
图4. 肠道菌群在疾病预防和治疗中的临床策略。通过调节肠道菌群组成来调节表观遗传变化的策略可能包括益生菌、益生元、后生元、饮食、粪菌移植（FMT）和噬菌体疗法。
表3. 益生菌、益生元和后生元在IBD/CRC预防中的作用。
益生菌、益生元和后生元
益生菌、益生元和后生元可以通过调节肠道菌群的组成和代谢功能，改善肠道健康。例如，某些益生菌可以调节宿主细胞中的表观遗传修饰，抑制炎症反应和肿瘤发生。
粪菌移植（FMT）
FMT是一种通过移植健康人的肠道菌群来治疗肠道菌群失调相关疾病的方法。FMT可以调节宿主的表观遗传修饰，改善肠道炎症和免疫反应。
饮食干预
建议采取少餐、多餐的策略，保持充足的水分，避免过量摄入咖啡因和酒精，加入维生素和矿物质补充剂，在乳糖不耐症的情况下停止食用乳制品，限制摄入过多的脂肪和碳水化合物，并确保定期进行体育锻炼。最后，应进行更大规模、长期的临床研究，以探索不同饮食方案对各种类型肠道疾病患者的影响，同时考虑个体化干预。同时，应整合现代营养科学、微生物组学和个性化基因组学，以开发基于精准医学的饮食干预策略。
噬菌体疗法
噬菌体疗法是一种通过使用噬菌体来特异性地靶向和消灭有害细菌的方法。噬菌体疗法可以调节肠道菌群的组成，改善肠道健康。
结论
本文探讨了肠道菌群与表观遗传修饰之间的错综复杂关系，揭示了菌群衍生的代谢产物显著影响关键的表观遗传过程，如DNA甲基化、RNA m6A和组蛋白修饰，从而塑造细胞功能和健康。然而，当前的研究仍面临诸多局限性，其中最主要的问题是因果关系的不确定性。目前尚无法确定菌群是否直接导致这些表观遗传修饰。
研究局限性
因果关系的不确定性：许多研究难以区分相关性与因果关系，因为模型和实验设计的限制。
样本和模型的局限性：粪便样本可能无法准确反映肠道菌群的实际功能，可能引入临床诊断的偏差。样本量有限，实验条件、设备和试剂的差异可能导致批次效应，增加结果的随机性和误差。小鼠模型缺乏人类生活方式等生态学因子，无法完全复制人类疾病相关的变化。
对真菌和病毒的研究不足：肠道真菌群落仅占整个微生物组的约0.1%，在丰度和多样性上较低，研究较少。真菌在维持肠道稳态和影响疾病发展方面发挥重要作用，但目前对其影响的研究尚不充分。
肠道病毒组研究不足：病毒基因组检测困难，且不包含细菌基因组中常见的多样化标记基因序列。尽管技术进步使得对肠道病毒组的分析更加精细，但病毒群落检测技术的局限性和数据库的不完整性限制了对特定疾病背景下肠道病毒组功能的探索。
未来研究方向和方法
标准化研究方法：建立一致的标准操作程序，涵盖样本收集、储存、DNA提取、测序和数据分析等所有阶段，以减少技术变异对结果的影响。
增加样本量和多中心合作：增大样本量可以有效减少个体变异的影响，增强统计可靠性。多中心合作可以在不同环境中验证结果，有助于鉴定广泛适用的结论。
开放数据共享和公共数据库：鼓励开放数据共享并建立公共数据库，以促进交叉验证和进一步分析，增强数据的再利用和结果的可验证性。
改进动物模型：虽然小鼠模型仍然必要，但应结合更接近人类组织特征的3D类器官模型，以提供更有价值的见解。
多组学大数据方法：未来研究应采用多组学大数据方法，整合临床数据、环境暴露、微生物组成、遗传学、表观遗传学和免疫功能等多层信息。利用下一代长读长宏基因组技术（如PacBio HiFi和Oxford Nanopore）更准确地组装复杂微生物基因组。开展单细胞空间组学研究，通过空间转录组学和代谢组学，更好地鉴定特定区域内基因和代谢产物的分布。
总体而言，本文强调了肠道菌群与表观遗传修饰之间的复杂联系，并指出了当前研究的局限性。未来的研究需要采用更严格和创新的方法，以更好地理解肠道菌群在疾病中的作用，并开发新的治疗策略。
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参考文献：
Qihong Zhang , Yun Liu , Yuheng Li , Guangdong Bai , Jiaman Pang ,
Miaomiao Wu , Jiawei Li , Xuan Zhao & Yaoyao Xia (2025) Implications of gut microbiota-mediated epigenetic modifications in intestinal diseases, Gut Microbes, 17:1, 2508426, DOI:10.1080/19490976.2025.2508426
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