Impact of epigenetic imprinting on the transcriptional profile of colonic epithelial cells and their role in the perpetuation of intestinal inflammation

Abstract

Inflammatory bowel diseases (IBD), such as Crohn’s disease (CD) and ulcerative colitis (UC), are chronic-relapsing inflammatory disorders of the gastrointestinal tract. Chronic inflammation is associated with disintegration of the intestinal epithelium, ultimately resulting in symptoms such as abdominal pain, diarrhea, bloody stool and weight loss. Next to their key role as intestinal barrier cells, intestinal epithelial cells (IECs) display important immune regulatory functions and contribute to maintenance of intestinal homeostasis. Epigenetic gene regulatory mechanisms act as additional higher-level mechanisms of transcriptional regulation. Epigenetic post-translational histone modifications affect DNA accessibility and thereby influence the transcriptional response of cells. Currently, it is largely elusive if and to what extend histone modifications influence the transcriptional phenotype of IECs and the role this might play for intestinal maladaptation, induced by recurrent inflammatory episodes. To address this, a dextran sodium sulfate (DSS) mouse model for acute and chronic colitis was established, that mimics phases of perpetuating gut inflammation found in IBD patients, as well as interim remission periods. Inflammatory gut immune responses within the DSS model were comprehensively studied and revealed that inflammatory chronification was associated with sustained histopathological changes in the colon. Repeated DSS treatment also resulted in increased numbers of CD4+ and CD8+ T cells as well as B cells in the colonic lamina propria, local and systemic cytokine/chemokine dysregulation as well as microbial dysbiosis in feces of mice. Some of these consequences were partially persisting even throughout remission phases. The role of epigenetic imprinting of colon ECs (CECs) in this experimental setup was addressed by chromatin immune precipitation (ChIP) sequencing of H3K27me3 and H3K27ac histone modifications together with CEC transcriptome analysis by RNA-sequencing. Bioinformatic data mining identified several thousands of H3K27me3 and H3K27ac modified genomic regions in CECs at all stages of colitis and remission. H3K27ac regions were preferentially located around transcription start sites (TSS) while most, but not all, H3K27me3 regions were located at distal intergenic regions. At promoters, H3K27me3 and H3K27ac modifications occurred more often in CECs from chronic DSS colitis. Differential transcriptome analysis combined with differential analysis of condition-specific ChIP-enrichment at consensus sites of histone modifications uncovered a set of transcriptionally affected candidate genes whose change in expression correlated with the presence of histone-modified regions at their promoters. Amongst others, in chronic DSS, H3K27me3 hypo-methylation at promoters of the MHC-II-related genes H2-Ab1 and H2-DMb1 correlated with their increased expression. Peptide-loaded MHC-II complexes together with T cell co-stimulatory proteins induce CD4+ T cell responses. The frequency of co-stimulation-competent CECs decreased during the chronic remission phase of DSS colitis. Of note, increased MHC-II expression and reduced co-stimulatory capacity of CECs coincided with an accumulation of CD4+ iTregs that may suppress intestinal inflammation in the lamina propria and beyond. In summary, the CEC transcriptional program is indeed subjected to inflammation-induced epigenetic changes that differentially affect the expression of disease-associated genes.

Entzündliche Darmerkrankungen wie Morbus Crohn und Colitis ulcerosa sind chronisch-rezidivierende Erkrankungen des Magen-Darm-Trakts, die mit einer Schädigung des Darmepithels und Symptomen wie Bauchschmerzen, Durchfall, blutigem Stuhl und Gewichtsverlust einhergeht. Neben ihrer Schlüsselrolle als Zellen der intestinalen Barriere haben intestinale Epithelzellen (IEZ) wichtige immunregulatorische Funktionen und tragen zur Aufrechterhaltung der intestinalen Homöostase bei. Epigenetische Genregulation umfasst eine Vielzahl an Mechanismen zur Transkriptionsregulation. Epigenetische Histonmodifikationen wirken sich auf die Zugänglichkeit der DNA für Transkriptionsfaktoren aus und beeinflussen so die Transkription in Zellen. Derzeit ist weitgehend unklar, ob und inwieweit Histonmodifikationen das Transkriptionsprofil von IEZ beein-flussen und welche Rolle dies für die durch wiederkehrende Entzündungsepisoden ausgelöste intestinale Mal-adaptation spielt. Um diese Frage zu klären, wurde ein Dextran-Sodium-Sulfat (DSS) Mausmodell für akute und chronische Kolitis etabliert, das Phasen anhaltender Darmentzündung sowie Remissionsphasen nachahmt. Umfassende Untersuchungen der entzündlichen Reaktionen des Darms ergaben, dass eine Chronifizierung der Entzündung mit anhaltenden histopathologischen Veränderungen im Dickdarm einherging. Eine wiederholte DSS-Behandlung führte zu einer erhöhten Anzahl von CD4+ und CD8+ T-Zellen sowie B-Zellen in der lamina propria des Dickdarms, zu einer lokalen und systemischen Dysregulation von Zytokinen/Chemokinen sowie zu einer mikrobiellen Dysbiose der Darmflora. Einige dieser Veränderungen hielten teilweise während der Remissionsphasen an. Die Rolle der epigenetischen Prägung von Colon EZ (CEZ) im DSS-Modell wurde durch Chromatin-Immunpräzipitation (ChIP)-Sequenzierung von H3K27me3 und H3K27ac Histonmodifika-tionen zusammen mit einer CEZ-Transkriptomanalyse mittels RNA-Sequenzierung untersucht. Durch bioinformatische Analysen wurden mehrere Tausend H3K27me3- und H3K27ac-modifizierte genomische Regionen in CEZ in allen Stadien der Kolitis und Remission identifiziert. H3K27ac-Regionen befanden sich bevorzugt in der Nähe von Transkriptionsstartstellen, während sich die meisten H3K27me3-Regionen in distalen inter-genischen Regionen befanden. H3K27me3 und H3K27ac Modifikationen in Promotoren traten in CEZ aus chronischer DSS verstärkt auf. Eine differenzielle Transkriptomanalyse in Kombination mit einer differenziellen Analyse der ChIP-Anreicherung innerhalb von Konsensus-Regionen mit Histonmodifikationen identifizierte eine Reihe von transkriptionell veränderten Kandidatengenen, deren veränderte Expression in bestimmten Stadien der DSS-Kolitis mit dem Vorhandensein von histonmodifizierten Regionen in ihren Promotoren korrelierte. So konnte in chronischer DSS Kolitis eine H3K27me3-Hypomethylierung von Promotoren der MHC-II Gene H2-Ab1 und H2-DMb1 und gleichzeitig deren erhöhte Expression beobachtet werden. Peptid-MHC-II-Komplexe induzieren gemeinsam mit kostimulatorischen Molekülen CD4+ T-Zell-Reaktionen. Der Anteil kostimulationskompetenter CEZ nahm in der chronischen Remissionsphase der DSS-Kolitis ab. Bemerkenswert ist, dass die erhöhte MHC-II-Expression und die verringerte Ko-Stimulationsfähigkeit der CEZ mit einer Zunahme von CD4+ iTregs einherging, welche möglicherweise die Darmentzündung in der lamina propria und darüber hinaus supprimieren helfen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das CEZ-Transkriptionsprofil in der Tat entzündungsbedingten epigenetischen Veränderungen unterworfen ist, die die Expression von krankheitsassoziierten Genen auf unterschiedliche Weise beeinflussen.