研究发现父亲受孕前的饮食会影响孩子的代谢健康

在最近发表在期刊上的一篇评论中 自然一组研究人员调查了孕前高脂饮食 (HFD) 如何影响附睾精子以及线粒体转移的作用 核糖核酸 (mt-tRNA) 影响后代的代谢健康。

学习： 饮食诱导和精子携带的线粒体RNA的表观遗传图片来源：Prostock-studio / Shutterstock

背景

除了孟德尔遗传，父亲还使用其他途径进行代际信息传递，包括成熟精子中复杂、动态且对环境敏感的小型非编码 RNA (sncRNA) 库，这些 RNA 会影响胚胎发育和成年表型。精子的产生涉及精子发生和附睾成熟，这两者都是环境易感性的潜在窗口。需要进一步研究以充分了解饮食引起的精子表观遗传变化背后的机制及其对后代健康的长期影响。

附睾精子对饮食的敏感性

为了研究附睾精子如何应对环境影响，并辨别附睾和精子发生信息对父系代际影响的贡献，该团队对 6 周大的雄性小鼠进行了一项实验。这些小鼠被喂食 HFD 或低脂饮食 (LFD) 两周。在这次饮食挑战之后，一些接受治疗的雄性直接与未暴露的雌性交配以产生 F1 代（早期高脂饮食 (eHFD) 组）。其他雄性首先被允许交配以清除附睾，然后恢复正常饮食 4 周后再交配（标准高脂饮食 (sHFD) 组）。

对精子发生和生殖适应性的影响

HFD 喂养不会影响精子发生或男性生殖健康。睾丸组织学、曲细精管直径、精子活力以及成功受精率和植入前发育率证实了这一点。圆形精子细胞和睾丸的批量和单细胞转录组分析均表明精子发生正常，HFD 的影响最小。

HFD 对体重和葡萄糖耐量的影响

两周的 HFD 暴露导致暴露小鼠的体重和肥胖程度略有增加，全身葡萄糖耐受性降低。这些表型在 4 周的常规饮食后发生逆转。值得注意的是，两周的 HFD 挑战不会影响后代的体重或体质，但会导致约 30% 的雄性后代出现葡萄糖不耐受。这种葡萄糖不耐受在不同的群体中是一致的，并且随着时间的推移保持稳定。sHFD 组的后代体重、体质或葡萄糖耐受性没有变化。

后代的转录特征

父亲的体重指数 (BMI) 与后代的健康

mt-tRNA 的作用

精子 sncRNA 是父系表观遗传效应的潜在介质。我们对接受 HFD 的小鼠的圆形精子细胞和尾部精子中的 sncRNA 进行了分析。分析显示，大约 25% 的精子 sncRNA 库对 HFD 刺激敏感，mt-tRNA 及其片段显著上调。这些发现表明，线粒体转移小 核糖核酸 （mt-tsRNA）和线粒体核糖体 核糖核酸 (mt-rRNA) 主要因 HFD 而上调。

人类对mt-tsRNA的研究

在一项涉及芬兰年轻志愿者的研究中，mt-tsRNA 与 BMI 呈正相关。尽管研究对象较少，但结果表明 mt-sncRNA 在小鼠和人类应对代谢挑战方面发挥着重要作用。

精子中mt-tRNA的主动转录

成熟精子可以主动转录 mt-tRNA，这些转录本在 HFD 喂养后上调。sncRNA-seq 数据集分析表明，mt-tsRNA 主要存在于精子中，支持其作为响应环境变化的动态分子信号的作用。

mt-tRNA的表观遗传

利用杂交胚胎和基因追踪，我们证明了受精时父系mtRNA向卵母细胞的转移。由HFD喂养的雄性所生的雄性胚胎表现出mt-tRNA的显著过表达，这表明父系饮食与早期胚胎转录变化之间存在直接联系。

线粒体功能障碍模拟高频膳食的影响

比较组织转录组学表明，在饮食暴露的小鼠中，与线粒体代谢有关的基因持续下调。这与精子尾部的线粒体 DNA 转录机制上调相结合，表明对饮食引起的线粒体功能障碍的补偿反应。这些发现得到了国际小鼠表型联盟数据的支持，该联盟显示了父系对后代肥胖和葡萄糖不耐受的影响。

结论

总而言之，这项研究表明，雄性小鼠急性 HFD 喂养或基因诱导的线粒体功能障碍会导致其雄性后代的葡萄糖稳态受损。这与成熟精子中 mt-tRNA 的积累有关，这些 mt-tRNA 在受精时转移到卵母细胞，导致早期胚胎的基因转录发生改变。这种可逆机制表明，父亲的代谢健康可以通过线粒体信号影响后代。虽然其他 sncRNA 也可能发挥作用，但 mt-tRNA 是监测孕前生活方式干预以预防代谢紊乱的有希望的候选者。