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抑郁症、焦虑症和阿尔茨海默病（Alzheimer's disease，AD）等中枢神经系统（Central nervous system，CNS）疾病会严重影响患者的生活质量，并造成重大的经济和社会负担。由于其病因不明且复杂，目前治疗这些疾病的疗效有限。在过去的十年里，肠道菌群已被证明对中枢神经系统的结构和功能表现出直接和间接的影响，影响多种病理通路。除肠道菌群和中枢神经系统之间的直接互作外，肠道菌群及其代谢产物还可以调节表观遗传过程，包括DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA调控。本文讨论了肠道菌群、表观遗传和中枢神经系统疾病之间的三方关系：肠道菌群及其代谢产物在表观遗传学水平上影响中枢神经系统疾病的发病机制，可能为开发有效的中枢神经系统病治疗策略提供依据。

图1：提出了肠道菌群与中枢神经系统（CNS）之间的互作机制

表观遗传

表观遗传是指基因在不改变其DNA序列的情况下可逆和可遗传的选择性表达或抑制。表观遗传修饰包括DNA甲基化、组蛋白修饰和ncRNA调控。

DNA甲基化

DNA甲基化是表观遗传学修饰最重要的机制。最常见的哺乳动物DNA甲基化位点发生在5′-CpG-3′位点。甲基化过程由DNA甲基转移酶（DNMT）作用于甲基供体S-腺苷甲硫氨酸（SAM）催化。甲基转移到CpG二核苷酸的胞嘧啶5′-碳共价键上，形成5-甲基胞嘧啶。介导DNA甲基化的甲基转移酶包括DNMT1、DNMT3A和DNMT3B。CpG位点甲基化的氨基酸残基与染色质致密化有关，而染色质致密化抑制基因转录。更具体地说，DNA甲基化通过招募抑制基因表达或转录因子与DNA结合的蛋白质来调节基因翻译、蛋白质功能、RNA加工、细胞发育和分化。

DNA去甲基化与DNA甲基化呈稳态，由TET双加氧酶 (Ten-Eleven Translocation dioxygenases)介导，催化5-甲基胞嘧啶转化为5-羟甲基胞嘧啶。后者随后被氧化为5-甲酰基胞嘧啶和5-羧基胞嘧啶，最后通过碱基切除修复机制恢复为未修饰的胞嘧啶。

通常CpG启动子区域低甲基化，而非启动子区域则高甲基化，稳态通过甲基化和去甲基化之间的动态平衡维持。但非启动子区域的广泛低甲基化降低了染色体稳定性，导致基因转录异常，从而诱导疾病发展。

组蛋白修饰

组蛋白是真核细胞染色质的主要成分，由H1、H2A、H2B、H3和H4亚基组成。一个H2A-H2B四聚体和两个H3-H4二聚体聚集形成组蛋白八聚体。长度为146–147个碱基对的DNA双链通常包裹在八聚体周围，形成核小体，即染色质的基本结构单位。组蛋白修饰是指在相关酶的催化下，组蛋白的游离N-端或C-端尾部发生乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化或ADP糖基化修饰。这些修饰可以改变DNA结合组蛋白尾部的电荷和结构，从而改变染色质的空间结构并影响基因表达。

在这些机制中，组蛋白甲基化和乙酰化是最为常见。组蛋白甲基化通常发生在赖氨酸残基H3和H4，由组蛋白甲基转移酶（HMT）催化。SAM是组蛋白甲基化的主要甲基供体。组蛋白的赖氨酸残基可以是单甲基化、二甲基化或三甲基化，以增强或抑制相关基因表达。

组蛋白乙酰化也发生在赖氨酸残基H3和H4，并受组蛋白乙酰转移酶和组蛋白去乙酰化酶（HDAC）之间的稳态调控。乙酰化可以减少赖氨酸残基的正电荷，从而抑制组蛋白尾部与带负电荷的DNA结合。这种减弱的电荷力使潜在DNA得以暴露，从而增强基因表达。此外，同一赖氨酸残基可能发生乙酰化和甲基化，导致双向抑制。

非编码RNA（ncRNA）

人类细胞含有具有不同功能的多种类型RNA，只有3%的人类RNA编码蛋白质。大多数非编码蛋白质的RNA是ncRNA，根据其功能分类为管家型ncRNA和调节型ncRNA。蛋白质编码RNA包括转运RNA、核糖体RNA和小核RNA，其参与氨基酸转运、核糖体形成和前体RNA剪切的易位和剪接过程。小核RNA主要有两类，长链非编码RNA（lncRNA）（长于200nt）和短链ncRNA（短于200nt）。短链ncRNA包括microRNA（miRNA）、小干扰RNA和piwi互作RNA。调节型ncRNA可以通过表观遗传学机制修饰其他RNA并干扰基因表达。miRNA可以与互补的靶mRNA序列结合，导致靶基因沉默；小干扰RNA在与其靶区结合后介导mRNA降解；Piwi互作RNA与蛋白质Piwi亚家族结合，形成沉默转座元件的复合体。同时，lncRNA广泛参与各种细胞活动，包括染色质重塑、转录干扰和细胞的物质转运（substance transport）。

肠道菌群通过DNA甲基化影响中枢神经系统（CNS）疾病进展

多项研究表明，肠道菌群通过DNA甲基化导致某些基因沉默从而影响人类表观遗传。这种基因表达抑制可能在病理上促进CNS疾病的发展。尽管肠道菌群如何影响DNA甲基化的细节尚未完全阐明，但某些可能的机制已得到广泛研究，包括肠道菌群与基因之间的直接互作以及细菌代谢产物的影响。例如，肠道菌群代谢产物通过充当甲基供体或通过与相关酶互作并改变其活性来调节DNA甲基化（图2）。

图2：肠道菌群与中枢神经系统互作的主要DNA甲基化通路。

AD：阿尔茨海默病；CNS：中枢神经系统；DNMT：DNA甲基转移酶；MDD：重度抑郁障碍；PD：帕金森病；SAM：S-腺苷蛋氨酸。

TLRs是调节先天免疫功能和宿主炎症反应的模式识别受体。Takahashi等人（2011）研究了肠上皮细胞对外部菌群侵袭的不敏感性，发现肠上皮细胞TLR4 5′区域的DNA甲基化显著高于脾细胞。此外，无菌小鼠的TLR4甲基化水平低于野生型小鼠，表明肠道菌群肠上皮细胞下调TLR4转录。参与肠道菌群成分识别的TLR4主要在脑小胶质细胞中表达，并在维持中枢神经系统稳态中发挥关键作用。此外，Brown等人（2019）利用BV2细胞系表明了菌群的TLR配体可以上调MHC II和MHC I表达，从而触发小胶质细胞抗原呈递。此外，Willis等人（2020）表明，在小胶质细胞缺失模型中，小胶质细胞再生通过IL-6受体介导的白细胞介素（IL）−6反式信号发挥神经保护作用，从而修复和减轻脑损伤引起的认知缺陷。在中枢神经系统疾病中（如AD和PD），促炎细胞因子（包括肿瘤坏死因子(TNF)-α、IL-1β、IL-8和IL-6）的表达增加，可能与小胶质细胞的TLR4依赖性机制相关。同时，黄芩苷可通过PI3K/AKT/FOXO1通路抑制TLR4及其下游信号，改善神经炎症诱导的抑郁样症状。

肠道菌群通过上调黏附分子RBM14的表达特异性招募DNMT3，从而诱导结肠上皮细胞TLR4甲基化。一项全基因组关联研究的荟萃分析显示，TLR4 mRNA水平的增加与心境障碍相关，包括重性抑郁障碍(MDD)和双相障碍(BD)。之前的一项研究比较了30例MDD患者和29名健康志愿者，发现抑郁症患者的平均TLR4 mRNA水平高于健康对照组，进一步支持TLR4表达可能是抑郁症危险因素的观点。此外，在MDD自杀受害者的大脑中观察到TLR4 mRNA和蛋白过表达。TLR4甲基化表明肠道菌群、表观遗传和CNS疾病之间可能存在联系。

SAM是一种通用的甲基供体，是参与DNA甲基化反应的主要甲基供体，由哺乳动物细胞的细胞质中的蛋氨酸和ATP通过蛋氨酸循环合成。肠道中的韦氏布劳特菌(Blautia wexlerae)可以产生SAM作为代谢副产物，进而影响宿主DNA甲基化。叶酸和其他B族维生素通过提供甲基作为DNA、RNA或蛋白质甲基化的碳单位，在调节人类表观遗传中发挥着重要作用。除了膳食来源的叶酸，结肠中的细菌还可以产生大量的叶酸和其他B族维生素，例如在肠道中发现的两种常见细菌乳酸杆菌和双歧杆菌具有合成叶酸的能力。叶酸可以作为甲基供体在肠道中和其他组织中促进细胞DNA甲基化。研究表明，志愿者服用三种益生菌双歧杆菌菌株后，粪便中叶酸浓度显著增加。此外，Young等人（2019）报道了PD患者和对照组之间三个大脑区域的DNA甲基化发生了显著变化，其中与PD发病机制显著相关的迷走神经背侧运动核变化最大。鉴于叶酸引起的甲基化可能具有广泛影响，菌群可能通过这种表观遗传学机制影响PD。

包括乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐在内的短链脂肪酸(SCFAs)是结肠细菌发酵的主要代谢产物，也是结肠细胞的重要能量来源。不可消化膳食纤维发酵成短链脂肪酸是人体肠道菌群进行的一个重要生物过程。SCFAs可以直接激活G蛋白偶联受体，抑制HDAC，并发挥肠道屏障和激素功能。SCFAs还可使DNA甲基化，从而调节靶基因表达。郭等人（2022）研究证实，肠道菌群产生的丙酸盐可以诱导cg26345888位点高甲基化，并抑制与临床维生素D缺乏密切相关靶基因DAB1的表达。此外，DAB1蛋白是Reelin信号通路的关键组成部分，Reelin信号通路与几种人类大脑疾病有关，包括自闭症、BD和抑郁症。

在CNS疾病患者的多个位点检测到DNA甲基化，尤其是编码脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor, BDNF)和血清素转运蛋白溶质载体家族6成员4（(solute carrier family 6 member 4, SLC6A4）的基因在抑郁症患者的外周组织中高甲基化。肠道菌群可以调节BDNF甲基化，从而影响中枢神经系统疾病发生。在一项对无菌小鼠的研究中，观察到BDNF mRNA水平较低；此外无菌小鼠皮层和海马中的BDNF水平低于对照小鼠。同时丁酸盐（SCFA）可以上调TET-1水平，这与羟甲基化水平增加和BDNF甲基化水平降低相关。丁酸盐是肠道菌群的共有代谢产物，这可能解释了肠道菌群对BDNF的作用机制。此外，Song等人（2014）分析了日本工人的BDNF甲基化水平，发现抑郁评分较高的宿主BDNF甲基化水平降低，而职业相关压力水平较高的宿主则BDNF甲基化水平增加。SLC6A4编码血清素转运蛋白5-HTT，该转运蛋白与宿主应激和MDD风险相关。Kang等人（2013）分析了MDD患者的童年环境、抑郁严重程度和SLC6A4甲基化的相关性，发现严重抑郁症状患者SLC6A4甲基化显著增加。同样，在经历过压力生活事件的青少年中，SLC6A4甲基化水平更高。

在包括AD和精神分裂症在内的神经精神疾病中观察到DNA甲基化水平的变化。因此有理由推测甲基化水平变化可能与肠道菌群有关，但仍需要进一步研究。

肠道菌群通过组蛋白修饰影响CNS疾病进展

肠道菌群还可以通过组蛋白修饰(包括组蛋白氨基酸残基的甲基化和乙酰化)影响宿主的表观遗传学。这些修饰导致构象变化，改变染色质浓缩程度，导致相关基因表达增加或减少。目前，公认的由肠道菌群介导的组蛋白修饰机制包括通过与肠道菌群代谢产物(如SCFAs、B族维生素和SAM)的互作改变组蛋白结构。SCFAs通过抑制HDAC活性导致组蛋白乙酰化水平发生变化。B族维生素和SAM是肠道菌群的代谢产物，可作为良好的甲基供体，直接或间接影响组蛋白甲基化，从而改变其空间结构 (图3)。

图3：肠道菌群互作的主要组蛋白修饰通路

CNS：中枢神经系统。BD：双相情感障碍；DNMT：DNA甲基转移酶；HAT：乙酰转移酶；HDAC：组蛋白去乙酰化酶；HMT：组蛋白甲基转移酶；SCFA：短链脂肪酸。

HAT和HDAC分别负责从组蛋白尾部添加或去除乙酰基的酶。在生理条件下，HAT和HDAC维持正常的细胞功能。肠道菌群通过SCFAs和乙酰化作用诱导各种功能。例如Silva等(2018)研究揭示SCFAs可能通过染色质的高乙酰化调节基因表达，从而促进DNA松弛。他们发现丙酸盐和丁酸盐抑制牛乳腺上皮细胞中的I类HDAC。此外，Bolduc等人(2017)发现，乙酸盐通过影响I/II类HDAC活性来增强组蛋白H3和H4的乙酰化，从而将浓缩的染色质转化为更松弛的结构。最近的一项研究表明，丙酸盐和丁酸盐能激活乙酰转移酶p300; 丙酸盐和丁酸盐的快速转化产生相应的酰基辅酶CoA, 其被p300用于催化自抑制环的自酰基化。这也解释了组蛋白乙酰化水平的增加。

组蛋白甲基化主要发生在核心组蛋白尾部的赖氨酸和精氨酸残基，并受HMT和组蛋白去甲基化酶的动态调节。与DNA甲基化类似，组蛋白甲基化可以通过甲基供体SAM进行。在DNA甲基化中，叶酸循环起着关键作用。肠道菌群可以通过代谢产物改变组蛋白结构（包括SCFA），从而改变宿主基因表达水平。例如HDAC抑制剂丁酸盐有效增强了活化小胶质细胞中与IL-10信号转导子和转录激活子（STAT3）信号通路相关的抗炎基因表达，同时抑制关键的促炎基因，包括TNF-α、STAT1、NOS2、IL-6和IRF1，从而有助于小胶质细胞的神经保护行为。因此丁酸盐具有调节小胶质细胞功能和减轻神经炎症反应的潜力，从而表现出神经保护特性。此外，Klein等人（2019）的一项纵向研究表明，组蛋白H3K9乙酰化增加与tau蛋白水平增加密切相关。tau蛋白过表达会损害神经系统稳态和CNS功能，并且可能是AD的致病成分。Nativio等人（2020）报道，AD和广泛新皮质病变（Braak V-VI期）患者的大脑样本显示出比对照组更高的H3K27和H3K9乙酰化水平，表明组蛋白修饰与AD发生呈正相关。此外在AD的5xFAD小鼠模型中，肠道菌群已被证明通过增加乙酰辅酶a的可用性或通过乙酸盐释放抑制HDAC来调节小胶质细胞中的H3K9乙酰化水平。丁酸盐也被证明可以减轻脂多糖（LPS）诱导的抑郁样行为。也就是说，丁酸盐慢性给予会导致组蛋白H3和H4去乙酰化受抑制，从而诱导小鼠海马中小胶质细胞活化减少，小胶质细胞活化减少有助于减轻LPS诱导抑郁样行为。除了乙酰化的可能影响外，一项对颞叶皮层的尸检研究表明，H3K9三甲基化与散发性AD患者异染色质的结构异常有关。

帕金森病（PD）是一种与年龄相关的神经退行性疾病，对认知功能有显著的负面影响。Toker等人（2021）分析了自发性PD患者和健康人的脑组织，发现PD组中多个组蛋白位点的乙酰化水平升高，其中H3K27表现出最显著的变化；PD组中H3K27乙酰化的增加在PD相关基因中更显著，包括SNCA、PARK7、PRKN和MAPT。

除神经退行性疾病外，组蛋白甲基化或乙酰化变化也与BD相关。Cruceanuet等人研究了突触素基因启动子区H3K4me3的数量，发现BD中组蛋白修饰标志物显著增加，与更高的基因表达有关。Gavin等人(2009)报道双相障碍患者比精神分裂症患者表现出更高水平的H3K9/K14ac。

肠道菌群通过非编码RNA影响CNS疾病进展

ncRNA介导的遗传变化也是表观遗传的重要组成部分，是肠道菌群和宿主互作的重要途径。Aoki等人（2021）发现，48种miRNA在病原体和无菌小鼠结肠中的表达存在显著差异；大多数基因表达增加了2倍。尽管有明确证据表明肠道菌群通过其代谢产物影响ncRNA表达，但其潜在的分子机制尚不完全清楚。丁酸盐已被证明失调miRNA表达，并通过相关信号通路诱导细胞凋亡和分化。即丁酸盐在体外下调c-Myc蛋白表达，随后降低miR-17-92簇成员miR-92a、miR-17、miR-19a/b和miR-20的表达。

lncRNA是大脑中不可或缺的功能性转录调节因子，其表达也受肠道菌群影响。肠道菌群诱导的lncRNA在脾脏和胸腺中也高表达，突出了它们在宿主免疫调节中的作用（图4）。肠道菌群影响ncRNA表达可能与CNS疾病密切相关。例如，迷走神经刺激通过抑制miR-210来缓解癫痫小鼠的炎症反应。Tasådelen等人（2022）分析了AD患者和健康参与者血清外泌体miRNA表达，发现患者组miR-204和miR-373表达显著降低。因此作者认为miR-204和miR-373可以作为AD的潜在生物标志物。此外，miRNA-27a表达在抑郁症患者血清中下调，在抑郁症啮齿动物模型的血清和海马样本中下调。小胶质细胞通过分泌可抑制抑郁症状的外泌体来转移miR-146a-5p。此外，Caco-2细胞系（含原代肠道菌群群的人肠道上皮细胞模型）中的miR-124-3p和miR-26b-5p有效下调ACE、AGTR1和ACE2基因表达。同时恢复小鼠海马中miR-124表达可通过靶向STAT3抑制小胶质细胞活化，并显著减轻慢性不可预知的轻度应激诱导的抑郁样行为。小胶质细胞外泌体中miR-124–3p水平增加可减轻反复轻度创伤性脑损伤后神经变性，改善认知功能，其通过靶向RELA/APOE信号通路实现。miR-207直接靶向富含亮氨酸的TLR4互作因子，以抑制星形胶质细胞中的NF-κB信号通路。含有miR-207的自然杀伤细胞来源的外泌体可以缓解小鼠慢性轻度应激的症状，并引发抗抑郁活性。

图4：肠道菌群与CNS互作的ncRNA通路。lncRNA：长链非编码RNA；miRNA：microRNA

Zhang等人（2021a）进行的一项临床实验表明，轻度认知障碍可能由菌群组成和miRNA表达介导，轻度认知障碍参与者中变形菌(Proteobacteria)和γ-变形菌(γ- Proteobacteria)丰度较高，并与has-let-7g-5p、has-miR-107和has-miR-186-3p表达相关。ncRNA在其他CNS疾病中的作用也得到了有力证据的支持。Yang等人（2021b）发现lncRNA HOXA-AS2表达增加通过与PRC2复合体互作并引起PGC-1α表观遗传抑制，在小胶质细胞极化中发挥调控作用，导致神经炎症的促进，这是帕金森病（PD）的关键过程。

结论和展望

未来的研究还应探索肠道菌群在与CNS疾病相关的不同表观遗传修饰中的潜在作用，包括DNA甲基化、组蛋白修饰和ncRNA表达。尽管某些分子已经得到很好表征，但缺乏将肠道菌群与表观遗传学修饰联系起来的直接证据。为全面了解肠道菌群、表观遗传和CNS疾病发展之间的相互作用，需要进行更深入的基础研究和临床研究。相关结果将为CNS疾病的发病机制提供新的视角和见解，为发现新的药物靶点和开发更有效的疗法提供信息。

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参考文献：

Liu T, Du D, Zhao R, Xie Q, Dong Z. Gut microbes influence the development of central nervous system disorders through epigenetic inheritance. Microbiol Res. 2023 Sep;274:127440. pii: S0944-5013(23)00142-8. doi: 10.1016/j.micres.2023.127440. PubMed PMID: 37343494.

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