G9a介导的H3K9me2通过表观遗传沉默细胞周期相关基因调控肠道上皮再生的新机制

《Nature Communications》：G9a-mediated H3K9me2 orchestrates intestinal epithelial regeneration through epigenetic silencing of cell cycle-related genes

本研究揭示了组蛋白甲基转移酶G9a及其催化的H3K9me2修饰在肠道稳态维持和损伤修复中的关键作用。研究人员发现IL-4-STAT6信号通路激活G9a表达，通过抑制Rb1cc1、Rb1、Cdkn1a和Pten等细胞周期抑制基因，促进肠道干细胞增殖。该发现为辐射性肠炎、炎症性肠病等胃肠道疾病的治疗提供了新的表观遗传靶点。

　　

肠道作为人体内更新最活跃的组织之一，其上皮细胞每3-5天就会完全更新一次。这种惊人的再生能力依赖于位于肠隐窝底部的肠道干细胞（Intestinal Stem Cells, ISCs）。这些干细胞不断分裂分化，维持着肠道上皮的完整性和功能。然而，当肠道受到辐射、炎症等因素损伤时，这种精密的平衡容易被打破，导致辐射性肠炎、炎症性肠病等严重疾病。

尽管科学家们已经对肠道干细胞的行为有了相当深入的了解，但表观遗传调控如何影响肠道再生过程仍存在许多未知。组蛋白修饰作为重要的表观遗传机制，能够在不改变DNA序列的情况下调控基因表达，从而影响细胞命运决定。在众多组蛋白修饰中，H3K9me²（组蛋白H3第9位赖氨酸二甲基化）通常被认为是一种抑制性标记，但它在肠道再生中的具体作用尚不明确。

为了解决这一科学问题，浙江大学医学院的研究团队在《Nature Communications》上发表了一项重要研究，系统阐述了G9a介导的H3K9me²修饰在肠道上皮再生中的调控机制。

研究人员首先通过质谱分析筛选与肠道再生相关的组蛋白修饰，发现H3K9me²在辐射损伤后呈现动态变化。随后，他们利用基因敲除小鼠模型和药物抑制手段，证明G9a缺失或活性抑制会显著损害肠道再生能力。通过整合ATAC-seq、ChIP-seq和RNA-seq等多组学数据，研究人员发现G9a通过催化H3K9me²修饰，抑制细胞周期抑制基因的表达，从而促进肠道干细胞增殖。更重要的是，他们揭示了IL-4-STAT6信号通路是调控G9a表达的上游机制。

本研究主要采用了以下关键技术方法：利用G9a条件性基因敲除（G9a^fl/fl）和肠道上皮细胞特异性敲除（G9a^ΔIEC）小鼠模型，结合G9a抑制剂UNC0642处理；建立辐射（8 Gy/10 Gy）和DSS诱导的肠道损伤模型；通过质谱分析筛选组蛋白修饰；应用ATAC-seq、ChIP-seq和RNA-seq进行多组学整合分析；使用肠道类器官培养系统；收集临床样本包括20例接受放疗的直肠癌患者和克罗恩病患者组织进行验证。

H3K9me²和G9a水平与肠道上皮损伤和再生相关

研究人员首先建立了辐射诱导的肠道损伤模型，通过质谱分析发现，在检测的14种组蛋白H3尾部和5种组蛋白H4尾部修饰中，H3K9me²在辐射后96小时显著上调。免疫印迹分析进一步证实H3K9me²及其甲基转移酶G9a在损伤修复过程中呈现双相变化模式，即损伤初期下降，随后在再生阶段上调。在临床样本中，直肠癌患者放疗后修复区域的H3K9me²和G9a核水平显著高于损伤区域，且与肠道再生程度呈正相关。

H3K9me²是肠道再生所必需的

为了验证H3K9me²的功能，研究人员构建了肠道上皮细胞特异性G9a敲除小鼠（G9a^ΔIEC），并应用G9a抑制剂UNC0642。结果表明，G9a缺失或抑制显著降低了H3K9me²水平，加重了辐射引起的肠道损伤，表现为体重下降更明显、小肠长度缩短、再生隐窝数量减少。在10 Gy辐射条件下，G9a^ΔIEC小鼠和UNC0642处理组小鼠的生存时间显著缩短。

H3K9me²缺失导致稳态下绒毛-隐窝结构异常

在稳态条件下，G9a敲除或UNC0642处理导致隐窝深度和绒毛高度减小，肠道干细胞（OLFM4阳性）和增殖细胞（Ki67阳性）数量减少。此外，潘氏细胞、杯状细胞和肠内分泌细胞等分化细胞类型也显著减少，表明G9a介导的H3K9me²对维持肠道上皮细胞组成至关重要。

H3K9me²在稳态和损伤条件下控制ISC的增殖状态

EdU脉冲追踪实验显示，G9a缺失显著降低了隐窝细胞的增殖速率。免疫荧光分析进一步证实G9a敲除后肠道干细胞增殖减少，细胞周期相关蛋白（Cyclin A2、Cyclin E2、Cyclin D1和Cyclin H）表达下调。肠道类器官实验表明，G9a缺陷会损害类器官的生长和出芽能力。

H3K9me²抑制细胞周期阻滞基因

多组学整合分析发现，G9a敲除导致全基因组染色质可及性增加，特别是在转录起始位点附近。H3K9me²和G9a的ChIP-seq显示，二者主要富集在负调控细胞增殖的基因启动子区。RNA-seq分析表明G9a缺失导致细胞周期促进基因下调和抑制基因上调。研究人员筛选出Rb1cc1、Rb1、Cdkn1a和Pten四个关键基因，证实G9a通过催化H3K9me²修饰抑制这些基因的表达。

IL-4-STAT6信号通路在肠道再生过程中调控G9a表达

通过生物信息学分析，研究人员发现STAT6可能结合G9a启动子区。ChIP-qPCR证实磷酸化STAT6在辐射后48和96小时与G9a启动子结合增强。在白细胞介素家族成员中，仅IL-4在肠道修复过程中显著上调，其表达模式与STAT6磷酸化和G9a表达变化一致。

本研究揭示了G9a介导的H3K9me²修饰通过抑制细胞周期阻滞基因表达，促进肠道干细胞增殖和上皮再生的新机制。不同于传统认为H3K9me²单纯作为基因抑制标记的观点，该研究发现其在肠道隐窝细胞中发挥精细调控作用，通过负调控机制平衡干细胞增殖。IL-4-STAT6-G9a-H3K9me²轴的发现不仅深化了对肠道再生表观遗传调控的理解，也为治疗辐射性肠炎、炎症性肠病等胃肠道疾病提供了新的靶点策略。这种表观遗传调控机制的阐明，为开发针对胃肠道疾病的创新疗法奠定了重要理论基础。