2022-11-07

Nature | AI发现促进肠道炎症的环境因素

原创 珍奇 图灵基因 2022-11-07 11:12 发表于江苏

收录于合集#前沿生物大数据分析

撰文：珍奇

IF：69.604

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亮点：

本研究描述了一种综合的系统方法，结合公开的数据库、斑马鱼的化学筛选、机器学习和小鼠临床前模型来确定控制肠道炎症的环境因素。这种方法确定了除草剂丙酰胺小肠和大肠的炎症作用的影响。此外，研究者表明丙酰胺通过AHR-NF-κB-C/EBPβ信号轴在T细胞和树突状细胞中发挥作用，促进肠道炎症。

全基因组关联研究已经确定了与炎症性肠病（IBD）相关的风险位点。然而，由于缺乏系统研究的平台，与IBD相关的环境因素及其影响疾病的机制的识别一直受到阻碍。

2022年10月20日，哈佛医学院Francisco J. Quintana课题组于《Nature》杂志上发表了一篇名为“Identification of environmental factors that promote intestinal inflammation”的研究性文章。他们开发了一条机器学习管道，以识别IBD以及潜在的其他炎症性疾病的环境因素和发病机制。

机器学习方法已用于建立化学品生物活性的预测模型。为了在ToxCast数据库中确定更多调节肠道炎症的环境化学品，研究者使用了一种基于训练集的机器学习方法，该训练集包括13种促进肠道炎症的化学品、4种改善肠道炎症的化学品和13种在最初的斑马鱼筛选中没有效果的代表性化学品。随后他们使用Kruskal-Wallis测试来确定ToxCast的生物测定，它能分辨出训练集中促进IBD、改善IBD和无影响的化学品，确定16个生物测定，并将其定义为IBD生物活性特征。在这个IBD生物活性特征的基础上，他们建立了一个随机森林（RF）模型来识别ToxCast数据库中预测会恶化肠道炎症的新增化学品，并使用重启随机游走算法（RWR）对它们进行排名。

为了确定丙酰胺在哺乳动物中的免疫调节机制，他们首先使用了TNBS诱导的结肠炎小鼠模型。使用RNA测序分析（RNA-seq），他们检测到在丙酰胺处理的TNBS小鼠的结肠中，促炎症途径生物标记物表达的上升，其中包括与白细胞外渗、整合素信号和NF-κB激活有关的途径。对RNA-seq数据集的上游调节物的分析发现，AHR对NF-κB驱动的C/EBPβ的抑制减少，是介导丙酰胺诱导的转录效应的候选机制。事实上，qPCR验证研究检测到Rela（编码NF-κB的p65亚基）和Cebpb的表达增加，以及固有层单核细胞（LPMCs）中促炎症的Tnf、Il1b、Il23和Il6的上调。

转录因子AHR调节肠道平衡和炎症，并抑制NF-κB的激活。基于丙酰胺处理小鼠的DC细胞和T细胞中检测到的AHR信号减少和NF-κB活化增加，他们研究了丙酰胺对AHR的影响。在报告试验中，丙酰胺减少了FICZ诱导的AHR激活，但没有干扰核受体RARα或PPARα的激活。此外，丙酰胺抑制了FICZ诱导的AHR靶基因Cyp1a1和Cyp1b1在人类和小鼠初级DCs和T细胞中的表达。事实上，在无细胞结合试验中，丙酰胺减少了配体3H-TCDD与小鼠和人类AHR的结合。

为了评估丙酰胺对体内AHR信号的影响，他们使用了携带Ahrd等位基因的小鼠（AHRd小鼠），它含有减少其与生理配体相互作用的突变。与报道的AHR在TNBS诱导的结肠炎中的保护作用一致，AHRd小鼠显示TNBS诱导的结肠炎恶化，结肠中IFNγ+CD4+和IL-17+CD4+T细胞增加，CD4+T细胞和DC细胞中促炎症分子表达上调，而丙沙胺不会使其恶化。此外，AHRd CD4+T细胞和DCs显示NF-κB p65亚基的磷酸化增加，这种p65磷酸化的增加并没有被丙酰胺促进。总之，这些发现表明丙酰胺干扰了AHR对NF-κB激活的抑制作用。

先前的转录分析确定NF-κB驱动的C/EBPβ信号是丙酰胺促炎作用的候选媒介。丙酰胺以NF-κB依赖性的方式上调DC的Cebpb表达；用FICZ激活AHR会降低Cebpb的表达，而从AHRd小鼠分离的DC则显示出更高的Cebpb表达。值得注意的是，从AHRd小鼠分离的CD4+T细胞也显示出较高的Cebpb表达。丙吡胺以C/EBPβ依赖性的方式促进了LPS激活的小鼠脾脏和骨髓来源的树突状细胞（BMDCs）以及人类DC细胞中Il1b、Tnf和Il23的表达。

为了研究C/EBPβ在肠道炎症期间在DCs中表达的作用，他们建立了具有C/EBPβ缺陷的经典DCs（cDCs）小鼠嵌合体。C/EBPβ在CDC中的缺失导致了TNBS诱导结肠炎的改善。紧接着他们在在野生型DC和Cebpb-/-DC小鼠中检测到类似的cDC1和cDC2数量，但在scRNA-seq分析中，C/EBPβ缺陷的DC显示出促炎症途径的激活减少。此外，他们还检测到Cebpb-/-DC小鼠结肠中的TH1和TH17细胞数量减少。这些发现表明，AHR-NF-κB-C/EBPβ信号在DCs中调节TNBS诱导的肠道炎症。

EPA Tox-Cast数据库中对丙酰胺诱导的途径进行了网络分析，确定VCAM-1是丙酰胺的一个潜在靶点。VCAM-1介导T细胞对血管内皮的粘附，它在内皮细胞中的表达以NF-κB依赖的方式被促炎性细胞因子如TNF和IL-1β29诱导。NF-κB的激活促进了TH1和TH17细胞的分化，但C/EBPβ在这一过程中的作用还不清楚。为了评估C/EBPβ在控制结肠源性T细胞中的作用，他们用野生型或C/EBPβ缺陷的T细胞重组了RAG1缺陷的小鼠，并用TNBS诱导受体的结肠炎。T细胞中的C/EBPβ缺陷减少了体重减轻、结肠短缩和组织病理学，以及结肠IFNγ+CD4+和IL-17+CD4+T细胞的数量。综上，NF-κB驱动的C/EBPβ信号能促进结肠炎T细胞的反应。

大约有200个遗传位点与IBD有关。然而，遗传因素并不能完全解释疾病的病因，环境暴露被认为在IBD的发病和发展中具有重要作用。考虑到影响人类一生的多种暴露因此，评估环境对IBD和其他人类疾病影响的方法尚未得到充分研究。在这里，研究者描述了一种综合的系统方法，以确定促进肠道炎症的环境因素和相关机制。斑马鱼在微生物组研究方面的潜力，以及报道的基因组和环境因素对微生物组的影响，表明这种方法也可能有助于研究环境因素对与IBD相关的微生物组的影响。本研究结果补充了最近关于膳食乳化剂、恶唑类化合物和其他环境因素对 IBD 发病机制及其在工业化国家日益流行的影响的报告。

教授介绍：

Francisco J. Quintana，阿根廷裔美国免疫学家和神经科学家，哈佛医学院神经病学教授。他的团队主要研究免疫系统和神经系统之间的相互作用，其中最著名的成果是星形胶质细胞对炎症的调节，以及对芳烃受体在污染物、微生物菌群和新陈代谢调节免疫反应中的作用的研究。Quintana研究针对控制免疫反应和神经退行性变的信号通路，最终目标是确定免疫介导疾病的新治疗靶点和生物标志物。此外，Quintana 博士确定了转录因子 AHR 在控制炎症驱动的适应性和先天免疫细胞中的重要作用，还确定了控制神经退行性变的重要机制，并为三个生物技术公司的发展奠定了基础。

参考文献：

Sanmarco, L.M., Chao, CC., Wang, YC. et al. Identification of environmental factors that promote intestinal inflammation. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05308-6