《Nature Microbiology》：Weaning drives microbiome-mediated epigenetic regulation to shape immune memory in mice
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肠道黏膜免疫的长期记忆如何形成？本文聚焦小鼠离乳期，揭示了该阶段肠道微生物群的改变通过IFNγ依赖的方式，重塑肠道干细胞DNA甲基化与转录组，导致MHC-II基因调控区去甲基化，从而建立一种能够延续至成年的、可促进次级免疫应答增强的转录记忆。该研究阐明了早期生命事件通过微生物-宿主互作调控干细胞表观遗传，进而决定终身黏膜免疫的分子机制，为理解生命早期窗口对免疫系统发育的关键作用提供了新视角。
肠道是人体最大的免疫器官，其健康的建立与维持，离不开肠道微生物群与宿主之间复杂而精密的对话。特别是生命早期，肠道微生物群的定植和演替，被视为塑造终身免疫系统功能的关键“窗口期”。其中，从哺乳到摄入固体食物的“离乳期”是一个肠道微生物组成剧烈变化、免疫系统经历显著重塑的关键阶段。此前研究已发现，离乳会伴随一个短暂、受控的炎症反应，即“离乳反应”，这对于成年后抵抗免疫病理至关重要。然而，离乳期微生物群的改变究竟如何对宿主的免疫系统产生持久、甚至终生的影响，其背后的细胞与分子机制一直不甚清晰。肠道上皮由快速更新的细胞组成，而位于其基底的肠道干细胞负责持续补充这些细胞。那么，早期的微生物暴露是否能在长寿的干细胞中留下某种“记忆”，并将其传递给后代上皮细胞，从而持久地影响黏膜免疫功能？为了解答这一问题，一项发表于《自然·微生物学》的研究进行了深入探索。
为了开展这项研究，作者运用了多种关键技术方法。研究主要使用了携带Lgr5EGFP-IRES-CreERT2报告基因的转基因小鼠模型，通过流式细胞术分选标记的肠道干细胞和分化的肠道上皮细胞。核心的表观遗传学分析依赖于全基因组亚硫酸氢盐测序，以单碱基分辨率描绘DNA甲基化图谱，并识别差异甲基化区域。转录组分析则通过RNA测序完成。为了在体内验证微生物群的作用，研究采用了无菌小鼠模型、在特定时间点进行的肠道菌群移植实验，以及通过低剂量青霉素干预选择性改变早期生命微生物组成的策略。疾病模型方面，使用了葡聚糖硫酸钠诱导的结肠炎和氧化偶氮甲烷-DSS联合诱导的结肠炎相关肿瘤模型。体外机制研究则利用从不同处理组小鼠结肠建立的类器官培养体系，并结合染色质免疫沉淀-定量PCR等技术探究蛋白质与DNA的相互作用。
研究结果
肠道微生物群调节肠道干细胞中位点特异性的表观遗传重塑
通过对特定无病原体小鼠和无菌小鼠的结肠Lgr5+肠道干细胞进行全基因组甲基化测序分析，研究人员发现，尽管微生物群的存在并未改变整体的DNA甲基化模式，但却在基因组特定位点诱导了差异甲基化。其中，683个差异甲基化区域在干细胞及其分化的后代肠道上皮细胞中共享，表明这部分甲基化改变能在细胞谱系进展中稳定遗传。值得注意的是，这些共享的差异甲基化区域有51%与增强子区域重叠，并且在有菌小鼠中，这些区域普遍呈现低甲基化状态。基因富集分析显示，与这些低甲基化区域相关的基因，其功能富集于免疫反应和宿主防御通路，特别是干扰素反应、抗原加工与呈递相关基因。其中，主要组织相容性复合体II类基因（如Cd74, H2-Eb1, H2-Aa, Ciita）以及部分宿主防御基因（如Irf1, Plet1）的启动子近端增强子区域在有菌小鼠的干细胞和上皮细胞中均显示出特异性低甲基化。进一步的RNA测序证实，这些基因在有菌小鼠中的表达也相应上调，表明肠道微生物群通过诱导增强子区去甲基化，特异性地上调了与上皮细胞MHC-II信号和宿主防御相关的基因表达。
离乳后是微生物驱动表观遗传重编程的关键窗口
研究人员比较了离乳期和成年期小鼠的甲基化动态，发现在离乳期，无论有菌还是无菌小鼠，上述免疫基因相关区域的甲基化水平都很高，没有差异。而到了成年期，有菌小鼠的这些区域甲基化水平显著下降，无菌小鼠则保持不变。这表明微生物诱导的持续低甲基化发生在离乳之后。对离乳后不同周龄小鼠的纵向监测显示，MHC-II基因（尤其是Cd74）的甲基化在离乳后（4-6周龄）迅速丢失，而部分宿主防御基因的去甲基化则发生较晚且更渐进。更重要的是，肠道菌群移植实验揭示，只有在离乳后立即（3-4周龄）进行移植，才能最有效地在成年期恢复肠道干细胞中MHC-II基因的表观遗传调控和转录活性；若将移植推迟到青春期或成年期，其效果则依次递减甚至无效。这证明了离乳后存在一个微生物群驱动肠道干细胞表观遗传重编程的关键窗口期。
上皮细胞重编程需要由离乳驱动的IFNγ
已知上皮MHC-II的表达依赖于微生物诱导的IFNγ信号。离乳期微生物群的扩张和多样化会诱导强烈的短暂IFNγ反应。本研究发现，在离乳后立即使用中和抗体阻断IFNγ信号，会完全消除成年期上皮细胞MHC-II的表达，并破坏微生物诱导的MHC-II基因增强子低甲基化及转录激活。然而，在成年期进行同样的IFNγ阻断则无此效果。这表明，离乳期伴随的短暂IFNγ产生，是建立长期、微生物依赖的上皮MHC-II信号表观遗传调控所必需的。
革兰氏阳性菌介导表观遗传重编程
鉴于革兰氏阳性菌是IFNγ的有效诱导剂，研究探讨了其在早期生命中对上皮MHC-II表观遗传编程的作用。通过从孕鼠到离乳后持续给予子代低剂量青霉素处理，可以选择性减少肠道中革兰氏阳性菌的丰度，同时伴随肠道上皮内淋巴细胞中产生IFNγ的CD4+T细胞减少。这种处理破坏了离乳后结肠上皮中MHC-II基因的正常表观遗传重编程，导致其甲基化水平升高、基因表达下降。功能上，早期低剂量青霉素暴露的小鼠，在后续遭遇葡聚糖硫酸钠诱导的结肠炎时，表现出更快、更严重的疾病进程，恢复能力受损，并且在结肠炎相关肿瘤模型中，肿瘤更大、更具侵袭性。这表明，生命早期抗生素干预通过扰乱微生物-IFNγ轴，损害了基于上皮MHC-II表观遗传编程的免疫保护作用。
微生物来源的代谢物参与离乳驱动的表观遗传重编程
宏基因组分析发现，低剂量青霉素处理减少了多种在离乳后通常定植并扩增的细菌，包括一些产生短链脂肪酸和α-酮戊二酸的菌种。这些代谢物可直接或间接作为组蛋白去乙酰化酶抑制剂或DNA去甲基酶的辅因子，调节宿主表观遗传。基因本体富集分析也表明，与表观遗传调控过程相关的微生物功能活性在离乳后通常会增强，但被低剂量青霉素处理所破坏。因此，离乳诱导的、能产生特定代谢物的微生物，与IFNγ共同作用，促进了肠道干细胞中MHC-II的表观遗传重编程。
表观遗传重编程是“训练免疫”记忆的一种机制
为探究IFNγ如何直接诱导上皮细胞固有的表观遗传改变，研究使用无菌小鼠来源的结肠类器官进行实验。低剂量IFNγ处理可在24小时内快速诱导Cd74增强子区去甲基化，并伴随基因表达上调。染色质免疫沉淀实验显示，STAT3和TET3蛋白在该去甲基化增强子区域富集。有趣的是，先用IFNγ“训练”类器官多个传代周期，使其Cd74增强子稳定去甲基化后，即使撤除IFNγ一段时间，再次用IFNγ甚至无关刺激因子TNF进行刺激时，“训练”过的类器官仍能展现出更快速、更强烈的Cd74表达诱导。这正符合“训练免疫”的特征：即初次刺激通过表观遗传重编程“印记”细胞，使其对后续挑战产生更强的应答能力。最后，来自有菌小鼠或离乳期接受了菌群移植的无菌小鼠的结肠类器官，其MHC-II基因基础甲基化水平更低，并且在IFNγ刺激下，能比无菌小鼠类器官更快、更强地激活这些基因的表达，直接证明了微生物群是离乳后MHC-II相关增强子表观遗传重编程和上皮细胞内在记忆样反应的关键调节者。
研究结论与意义
这项研究揭示了生命早期微生物群驱动表观遗传调控的一个新层次。研究发现，由离乳期饮食改变驱动的肠道微生物群变化，会通过IFNγ-TET3轴，特异性诱导肠道干细胞中MHC-II基因增强子区域的去甲基化。这种改变并不立即大幅激活基因表达，而是作为一种表观遗传形式的“训练记忆”，预先解除增强子的抑制状态，从而“印记”上皮细胞，使其在后续遭遇免疫挑战时，能更快速、更高效地启动MHC-II介导的抗原呈递与免疫应答。这种重编程存在严格的关键窗口期，且可被早期抗生素暴露所破坏，导致成年后对结肠炎和肿瘤的易感性增加。
该发现具有重要的科学和临床意义。在理论上，它阐明了早期生命环境暴露如何通过微生物-宿主-免疫细胞的交互作用，在干细胞层面建立持久的表观遗传记忆，从而长期塑造黏膜免疫力的分子框架。在临床上，它为理解炎症性肠病等慢性肠道疾病为何常在青少年或青年期发病提供了新视角，并将上皮MHC-II的表观遗传调控状态确立为一个潜在的风险生物标志物。研究也提示，在生命早期关键窗口期进行恰当的益生菌或微生物干预，可能为预防慢性肠道疾病提供终身保护的新策略。
