通过患者来源类器官生物库揭示MHC-I表观遗传失调作为严重克罗恩病的新机制

克罗恩病(Crohn's Disease, CD)是一种炎症性肠病(Inflammatory Bowel Disease, IBD)，其特征是慢性复发性肠道炎症，主要影响消化道的任何部分。尽管在药物治疗后，患者的肠道黏膜炎症能够暂时缓解，但复发的炎症常常在相同的解剖部位再次出现。这一现象表明存在稳定的分子变化，导致局部组织特定细胞类型的功能改变。尽管肠上皮功能的改变在CD发病机制中被认为是关键因素，但具体的细胞类型和受影响的路径及其对疾病表型和结局的潜在影响仍不清楚。

近年来，表观遗传机制，尤其是DNA甲基化(DNAm)，被提出在CD的发病机制中起关键作用。DNAm是一种高度稳定的表观遗传标记，一旦完全建立，就会通过调节细胞功能的基本方面，支撑终生的组织身份。然而，由于缺乏合适的患者来源的实验模型，对人类CD中肠上皮细胞特异性机制的理解一直存在障碍。

患者来源的肠上皮类器官(Intestinal Epithelial Organoids, IEOs)提供了研究肠上皮细胞内在分子机制的新机会。类器官可以从黏膜干细胞中生成，并保留宿主来源组织的表观遗传特征，使研究人员能够在没有局部炎症环境影响的情况下，研究肠上皮细胞的功能。

近期，发表在Gut期刊，题为Patient-derived organoid biobank identifies epigenetic dysregulation of intestinal epithelial MHC-I as a novel mechanism in severe Crohn’s Disease的研究，通过建立一个包含312个来自168名患者(包括CD、溃疡性结肠炎(UC)和健康对照)黏膜活检样本的肠上皮类器官生物库，进行全基因组分子分析，包括DNAm、单细胞RNA测序等。研究人员通过基因编辑和功能实验，探讨了DNAm变化的功能性后果，揭示了MHC-I在CD发病机制中的新角色，并开发了基于表观遗传特征的疾病预后分子标志。

研究结果

1，稳定的DNAm变化： 研究发现，CD相关的MHC-I基因DNAm丧失在肠上皮类器官中是高度稳定的。这些变化在培养过程中保持不变，即使在没有炎症刺激的情况下也是如此。具体而言，研究发现NLRC5和TAP1基因的启动子区域存在显著的DNAm丧失，这些基因在MHC-I信号传导中起关键作用。

2，与基因转录相关CD：患者的肠上皮类器官中，MHC-I相关基因的DNAm丧失与基因转录增加显著相关。通过单细胞RNA测序，研究确认了NLRC5在肠上皮中的转录激活作用。此外，在不同患者群体中，通过DNAm分析和基因表达分析进一步验证了这些发现。

图1 MHC-I相关基因DNA甲基化(DNAm)的缺失与CD患者原发性肠上皮细胞中基因表达的增加相关

3，NLRC5在炎症中的作用：利用CRISPR/Cas9基因编辑技术，研究生成了NLRC5敲除和过表达的肠上皮类器官。结果表明，NLRC5过表达显著增加了MHC-I基因的表达，且在IFNγ刺激下进一步增强了MHC-I的表达。此外，NLRC5敲除的小鼠肠上皮类器官在IFNγ处理后，MHC-I基因的表达显著减少。

4，影响干细胞区：通过单细胞RNA测序，研究发现MHC-I在肠上皮细胞中的表达沿着隐窝-绒毛轴梯度变化，CD患者的肠上皮细胞中MHC-I的表达显著增加，特别是在干细胞区。这一发现通过RNAscope实验进一步得到验证。

图2 CD相关的肠上皮MHC-I表达的增加影响干细胞腔室，并遵循隐窝-绒毛梯度

研究总结

总之，该研究揭示了CD发病机制中的关键表观遗传变化，展示了类器官模型在疾病研究和药物开发中的巨大潜力。