徐偲越，郭藝紅

(鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院生殖與遺傳?？漆t(yī)院，鄭州 450052)

表觀遺傳是指在不改變DNA序列的情況下基因表達(dá)的改變，這種改變可由外部環(huán)境所引起。目前，許多證據(jù)表明表觀遺傳信息可通過配子在子代中傳遞，這種形式被稱為跨代遺傳[1-3]。這種快速直接的遺傳方式具有一定的進(jìn)化優(yōu)勢，能夠使后代更好地適應(yīng)環(huán)境。以往大量研究發(fā)現(xiàn)母體的健康狀況及生活方式可通過表觀遺傳機(jī)制影響后代，如妊娠前肥胖、宮內(nèi)不良環(huán)境暴露等[4-6]。近年來，越來越多的證據(jù)表明父代的環(huán)境暴露及生活習(xí)慣也可通過精子跨代遺傳影響子代的表型[7-8]。由精子介導(dǎo)的跨代遺傳主要涉及DNA甲基化、組蛋白乙酰化及小非編碼RNA等。非編碼RNA(non-coding RNAs)是指DNA轉(zhuǎn)錄后不作為翻譯模板的一類功能性的RNA分子，可參與調(diào)控轉(zhuǎn)錄、RNA的加工及翻譯等[9-10]。其中長度小于200 nucleotide(nt)的非編碼RNA稱為小非編碼RNAs(small non-coding RNAs，sncRNAs)[11]。近年來，研究較多的主要有miRNA、piRNA、rbRNA、tRNA，這些sncRNAs被認(rèn)為在跨代遺傳中發(fā)揮重要作用[12]。本文將對精子中的小非編碼RNA跨代遺傳機(jī)制進(jìn)行綜述，重點闡述環(huán)境影響的正反兩方面在父代跨代遺傳中的作用。

一、不良環(huán)境的影響

(一)父代壓力及應(yīng)激對后代表型的影響

壓力會影響性欲，降低精子數(shù)量和質(zhì)量，并長期危害睪丸細(xì)胞[13-14]。近年來大量研究表明壓力誘導(dǎo)的父代個體的行為適應(yīng)性可通過精子表觀遺傳傳遞給后代。

1.壓力引起的行為變化：多種神經(jīng)/精神疾病與下丘腦-垂體-性腺軸(HPA軸)相關(guān)，如精神分裂癥、抑郁癥等[15]。相關(guān)研究表明父代遭受應(yīng)激后可以通過誘導(dǎo)生殖細(xì)胞的表觀遺傳重編程并使后代HPA軸失調(diào)，隨后觀察發(fā)現(xiàn)精子中的miRNA含量發(fā)生變化[16]。研究人員進(jìn)一步將這些被改變的miRNA注入到單細(xì)胞的受精卵中，來自這些受精卵的雌性和雄性小鼠也表現(xiàn)為HPA軸失調(diào)[17]。

為了研究父代壓力如何通過HPA軸失常對父代精子含量產(chǎn)生影響以及由此介導(dǎo)的行為變化，國外一研究小組給交配之前的雄性小鼠(F0代)持續(xù)4周服用含有糖皮質(zhì)激素(CORT)的水來模擬應(yīng)激狀態(tài)下父代小鼠的生理變化[18]，在高架十字迷宮(一種測試動物焦慮狀態(tài)的模型)及明暗箱實驗中，盡管CORT并不影響父代雄性小鼠的焦慮行為，但CORT組F1雄性小鼠表現(xiàn)為焦慮樣行為，CORT組F1雌性小鼠表現(xiàn)為恐懼消失。有趣的是，父本印記基因Igf2的表達(dá)在F1雄性后代參與應(yīng)激的海馬中增加，但在雌性后代中下調(diào)。而與對照組相比，CORT組F2雄性和雌性小鼠均表現(xiàn)為焦慮程度降低，并發(fā)現(xiàn)只有CORT組F2雄性小鼠減少了在強(qiáng)迫游泳實驗(抑郁行為實驗)中的活動；與對照組相比，CORT組后代發(fā)現(xiàn)差異表達(dá)的sncRNAs超過100種，其中數(shù)量最多的兩大類為miRNA和tRNA。來自CORT組精子中三種miRNA(miR-98、miR-144和miR-190b)水平升高，預(yù)計它們會與多種生長因子(包括兩種基本生長因Igf2和Bdnf)相互作用。研究表明，壓力(通過壓力經(jīng)歷)和升高的應(yīng)激激素水平(通過服用CORT)可以改變精子miRNA的含量，并且這些變化至少影響兩代。至于這些性別差異是如何發(fā)生的，目前尚無相關(guān)明確機(jī)制，有人提出性染色體可以通過HPA軸影響性腺激素水平，進(jìn)而表現(xiàn)為不同的行為特征[19]。

一種將不可預(yù)測的母體分離與不可預(yù)測的母體應(yīng)激相結(jié)合(model of unpredictable maternal separation combined with unpredictable maternal stress，MSUS)的小鼠模型為我們研究表觀遺傳提供了很好的思路，這種早期暴露于創(chuàng)傷性壓力的模型可形象地轉(zhuǎn)化為人類的童年壓力及創(chuàng)傷[20-21]。在MSUS模型中早期應(yīng)激小鼠(F0)可影響后代行為特征及sncRNAs含量。在高架十字迷宮及明暗箱等行為實驗中，F(xiàn)1 MSUS小鼠表現(xiàn)出了類似焦慮的行為特征，這些獲得性的性狀在F2 MSUS小鼠也被觀察到。研究者應(yīng)用PCR及深度測序分析顯示，在F1 MSUS小鼠精液中部分miRNA上調(diào)，而部分piRNA下調(diào)。除此之外，成年F1 MSUS小鼠的血清及海馬的sncRNAs也發(fā)生了改變。繼續(xù)觀察發(fā)現(xiàn)，盡管F3 MSUS小鼠與F1及F2 MSUS小鼠有相似的行為特征，但sncRNAs在F2 MSUS小鼠的血清及海馬中受到影響，在精子中卻未發(fā)生任何改變，而F3 MSUS小鼠的sncRNAs是正常。值得注意的是，當(dāng)將這些差異表達(dá)的sncRNAs注射到野生型受精的卵母細(xì)胞中時，來自這些受精卵的小鼠表現(xiàn)出與F0 MSUS類似的行為變化和分子效應(yīng)，并且檢測到海馬中的某些sncRNAs發(fā)生顯著變化；注射有sncRNAs受精卵的小鼠后代亦有類似抑郁的表現(xiàn)。這些發(fā)現(xiàn)都說明了精子miRNAs在跨代遺傳中的直接作用，強(qiáng)調(diào)了miRNAs在生殖細(xì)胞中的重要性及對早期應(yīng)激的敏感性[20]。

2.壓力引起的代謝變化：在壓力環(huán)境中除了引起后代行為變化之外，亦對代謝產(chǎn)生一定影響。MSUS模型中研究者測定了壓力對代謝的影響[20]，在F1 MSUS小鼠中，血清中的胰島素和葡萄糖水平都顯示在正常水平，F(xiàn)2 MSUS小鼠雖然葡萄糖水平尚在正常范圍，而胰島素水平低于正常對照組，且在胰島素耐受實驗和葡萄糖耐受實驗中均下降；F2 MSUS小鼠亦表現(xiàn)為一種超代謝，在攝入量較高的情況下，體重仍低于對照組。繼續(xù)觀察發(fā)現(xiàn)，來自注射sncRNAs受精卵的小鼠胰島素和血糖水平降低，體重下降。表明父代壓力引起葡萄糖代謝的變化，并通過精子sncRNAs在跨代遺傳中發(fā)揮作用。有壓力的F0雄鼠后代F1雌鼠的糖皮質(zhì)激素水平明顯升高[22]。與F1雌鼠不同的是，F(xiàn)2和F3雌鼠并沒有表現(xiàn)出增強(qiáng)的糖皮質(zhì)激素水平，但繼承了父代相關(guān)的行為。此外，所有雌性小鼠(從F0到F3)均顯示Rcan 1和Rcan 2的mRNA水平升高，這與海馬CA1區(qū)域的突觸可塑性有關(guān)。

我國學(xué)者亦對父代應(yīng)激引起子代代謝變化做了相關(guān)研究。研究者發(fā)現(xiàn)F0雄鼠應(yīng)激后糖皮質(zhì)激素水平升高，從而引起控制miRNA-466l-3p表達(dá)的精子Sfmbt2基因啟動子甲基化程度增加，這種表觀遺傳修飾導(dǎo)致子代肝臟中的miRNA-466l-3p表達(dá)顯著下調(diào)，從而調(diào)節(jié)PKPCK蛋白表達(dá)增加，引起子代F1小鼠血糖升高、糖異生增加[23]。

(二)父代飲食對后代表型的影響

在哺乳動物中，跨代遺傳不僅發(fā)生在壓力環(huán)境中，父代飲食變化亦通過精子跨代遺傳導(dǎo)致子代表型發(fā)生改變[24-25]。Fullston等[26]為了研究飲食引起的父代肥胖對后代代謝健康及精子分子結(jié)構(gòu)的影響，將F0代C57BL/6J雄鼠喂食高脂肪食物(high fat diet，HFD)或控制飲食(control diet，CD)10周，隨后研究者將兩代F1及F2都進(jìn)行CD維持，結(jié)果發(fā)現(xiàn)HFD組F0雄鼠的肥胖增加21%并且其后代F1和F2都增加了肥胖及胰島素抵抗的風(fēng)險，其中F1雌鼠肥胖增加67%，F(xiàn)2雄鼠肥胖增加24%；通過微陣列、PCR等技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)F0雄性肥胖改變了睪丸中的414個微陣列和11個miRNA的表達(dá)，同時改變了精子的miRNA含量。而Thais等[27]與上述研究結(jié)論并不一致，他們研究發(fā)現(xiàn)HFD組的后代中，雌鼠表現(xiàn)為葡萄糖不耐受，并且容易引起HFD誘導(dǎo)的體重增加，而HDF的F0及F1雄鼠其DNA甲基化和sncRNAs表達(dá)正常。結(jié)果顯示這種跨代遺傳是通過miRNA let-7c在精子中的的表達(dá)改變傳遞到后代的代謝組織中，從而誘導(dǎo)let-7c靶點的轉(zhuǎn)錄組發(fā)生移位。在HFD父代小鼠模型中，Chen等[8]發(fā)現(xiàn)了精子tRNA衍生的小RNA(tsRNA)表達(dá)譜和修飾的變化；將來自HFD雄性的精子tsRNA注射到正常受精卵中，在F1后代中發(fā)生代謝紊亂，并且在早期胚胎和F1后代的胰島中改變了代謝途徑的基因表達(dá)。

雖然精子sncRNAs如何編碼父系信息仍不清楚，但其機(jī)制可能涉及RNA修飾。Zhang等[28]發(fā)現(xiàn)刪除小鼠中的tRNA甲基轉(zhuǎn)移酶—Dnmt2后將會阻止精子sncRNA介導(dǎo)的高脂飲食誘導(dǎo)的代謝紊亂傳播給后代。研究顯示Dnmt2缺失阻止了高脂飲食誘導(dǎo)的精子30-40 nt RNA部分RNA提取物(m5C、m2G)的升高；此外，Dnmt2缺失改變了精子小RNA表達(dá)譜，包括tRNA衍生的小RNAs和rRNA衍生的小RNAs的水平，這可能在構(gòu)建父系表觀遺傳記憶所需的精子RNA編碼中是必需的。Sharma等[29]調(diào)查了父代飲食影響子代代謝的機(jī)制：小鼠的低蛋白飲食將影響成熟精子中的小RNA(sRNA)水平，導(dǎo)致let-7水平降低和～28-34 nt tRNA片段(tRFs)數(shù)量增加(主要來自于tRNA的5’端)；其機(jī)制為睪丸中的精子tsRNA片段較少，當(dāng)進(jìn)入附睪后，附睪體(在附睪運(yùn)輸過程中與精子融合的囊泡)攜帶成熟精子相匹配的tsRNA載體，將tsRNA傳遞給成熟精子，使精子中的tsRNA片段增加。Chen等[8]將附睪體中的tsRNA 注入到正常的胚胎中，結(jié)果顯示：tsRNA 引起了胚泡多種基因表達(dá)量的改變并且大部分基因在機(jī)體的代謝調(diào)控通路中表達(dá)；進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)tRNA及tsRNA的修飾均會影響tsRNA的功能，從而影響遺傳相關(guān)的代謝疾病。

(三)父代飲酒對后代表型的影響

近期研究表明，不僅孕期飲酒增加后代代謝風(fēng)險，父代長期飲酒也可能對后代的健康和發(fā)育產(chǎn)生重要影響。Rompala等[30]應(yīng)用高通量測序證實了乙醇對精子sncRNAs的影響：他們發(fā)現(xiàn)慢性間歇性乙醇暴露改變了精子中三種主要的小RNA(tRNA衍生的小RNA、線粒體小RNA和微RNA的幾種sncRNAs)；另外利用PCR驗證了sncRNAs因慢性乙醇的暴露而改變；同時發(fā)現(xiàn)慢性乙醇暴露亦影響sncRNAs的轉(zhuǎn)錄后修飾，增加線粒體tRNA中兩種核苷修飾。

二、良好環(huán)境的影響

與壓力相反，積極的環(huán)境因素可以改善人類的壓力反應(yīng)和認(rèn)知能力。積極的環(huán)境包含增強(qiáng)體育鍛煉、多樣環(huán)境或其他形式的增強(qiáng)運(yùn)動，如感覺、認(rèn)知等刺激。多樣環(huán)境是一種將體育鍛煉與認(rèn)知訓(xùn)練相結(jié)合的方式。

(一)父系體育鍛煉對后代表型的影響

1.運(yùn)動對行為影響：國外研究小組利用小鼠自行車運(yùn)動模型對父代運(yùn)動的跨代遺傳做了相關(guān)研究[31]：跑步者的雄性后代抑制了幼年恐懼記憶的恢復(fù)，并減少了成年后明暗箱實驗中的焦慮，而這些情感行為在女性后代中無明顯變化；跑步改變了精子中的miRNAs水平，其中包括三種獨特的miRNAs(miR-19b、miR-455和miR-133a)和兩種tRNA衍生的RNA(tDRs)(tRNA-Gly和tRNA-Pro)。這些均對RNA轉(zhuǎn)錄后的基因調(diào)節(jié)有重要作用，因此可改變大腦和相關(guān)情感行為的發(fā)育。

2.運(yùn)動對代謝的影響：父代運(yùn)動除了改善后代行為外，亦對代謝過程產(chǎn)生重要影響。自行車運(yùn)動模型中運(yùn)動的小鼠引起了DNA甲基化和精子miRNA含量的改變，以及雄性后代代謝過程的改變[32]。此外，研究者將肥胖雄性小鼠(通過高脂飲食誘導(dǎo))進(jìn)行游泳訓(xùn)練作為一種運(yùn)動方式(其誘導(dǎo)體重減輕)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)運(yùn)動后的肥胖小鼠精子miRNA序列傾向于正常小鼠，且雌性后代的代謝過程能夠恢復(fù)[33]。Denham[34]發(fā)現(xiàn)父代的運(yùn)動訓(xùn)練會減弱精子中異常的microRNAs(其與高脂肪飲食及代謝功能障礙相關(guān))；在肥胖的父代中，盡管其雌性后代腎脂肪堆積較多，血漿甘油三酯及胰島素抵抗均較高，但運(yùn)動干預(yù)能有效改善父代表觀遺傳的代謝后果：高脂肪引起的X染色體的精子miRNA的異常表達(dá)(miR-503、miR-542-3p和miR-465b-5p)，參與細(xì)胞周期調(diào)控、細(xì)胞凋亡及胚胎發(fā)育，而這些異常可通過8周的運(yùn)動干預(yù)而修復(fù)；父代運(yùn)動后其骨骼肌磷酸脫氫酶激酶4(Pdk4，葡萄糖代謝的重要調(diào)節(jié)劑)mRNA表達(dá)減少，而后代的骨骼肌中表達(dá)也相應(yīng)下降，說明運(yùn)動誘導(dǎo)的精子表觀遺傳再編程可能導(dǎo)致了后代的骨骼肌基因的表型和轉(zhuǎn)錄的改變。

(二)多樣環(huán)境對后代表型的影響

1.多樣環(huán)境對神經(jīng)系統(tǒng)的影響：多樣環(huán)境可增強(qiáng)突觸可塑性、學(xué)習(xí)和記憶，并降低包括阿爾茨海默病在內(nèi)的各種復(fù)雜疾病的風(fēng)險[35-36]。Benito等[37]利用玩具(以隧道、住房和形狀不同的物體)和輪子為小鼠創(chuàng)造多樣環(huán)境的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)相比于正常組，10周多樣環(huán)境刺激后的雄性小鼠F0其海馬LTP得到增強(qiáng)，并且其后代F1的海馬LTP亦得到相應(yīng)增強(qiáng)，且有較明顯的認(rèn)知優(yōu)勢；研究者將多樣環(huán)境刺激后的精液中的RNA注入到受精的卵母細(xì)胞中，其后代的認(rèn)知評分有明顯增加；PCR測序發(fā)現(xiàn)在多樣環(huán)境刺激后雄性小鼠的精液及大腦中其miRNA212/132水平增加并參與到跨代遺傳中。

最近研究證實，選擇性5-羥色胺再攝取抑制劑(SSRIs)(常用抑郁癥治療方法)對抑郁小鼠的治療作用在多樣環(huán)境中作用最大[38]。研究者將抑郁樣表型的C57BL/6J小鼠暴露于多樣環(huán)境或應(yīng)激狀態(tài)后使用SSRIs治療(21 d)，結(jié)果表明，在多樣環(huán)境條件下治療的小鼠抑郁樣表型總體上得到改善，而在應(yīng)激條件下治療的小鼠顯示出明顯的惡化。此外，SSRIs能夠誘導(dǎo)幾種miRNA的上調(diào)，包括miR-135和miR-375。抑郁癥患者的血液中和大腦中miR-135的水平下降，SSRIs治療(CBT)后抑郁癥患者的miR-135水平升高[39]。

2.多樣環(huán)境對行為及代謝的影響：多樣環(huán)境通過跨代遺傳對后代行為及生理應(yīng)激反應(yīng)產(chǎn)生一定影響[40]。將成年C57BL/6J雄性小鼠(F0)暴露于多樣環(huán)境或標(biāo)準(zhǔn)鼠房4周，使用高架十字迷宮和曠場實驗測試8周齡雄性和雌性F1和F2后代的焦慮狀態(tài)，使用強(qiáng)迫游泳試驗評估抑郁相關(guān)行為；在基線水平和強(qiáng)迫游泳應(yīng)激后，通過定量血清皮質(zhì)酮和促腎上腺皮質(zhì)激素(ACTH)水平來確定HPA軸功能。結(jié)果表明，多樣環(huán)境刺激后的雄性后代F1和F2的體重增加，焦慮和抑郁相關(guān)行為沒有顯著改變，雖然F2的焦慮行為沒有發(fā)生變化，但是這些小鼠在強(qiáng)迫游泳試驗中顯示出潛伏期縮短。

三、展望

以往人們認(rèn)為父代對其子女的影響是由精子攜帶的遺傳物質(zhì)決定的，而它不受環(huán)境的影響。近年來大量研究表明，無論是不利的還是有利的生活環(huán)境都可通過sncRNAs介導(dǎo)跨代遺傳而影響后代的生理和行為表型。相關(guān)機(jī)制可以為疾病發(fā)展過程提供理論依據(jù)，并為改善人類健康提供新的治療方法。然而，對于理解跨代遺傳還有許多問題需要解決，如精子表觀基因組在復(fù)雜的環(huán)境中是怎樣編碼的，以及精子中的這些表觀遺傳修飾如何影響合子的發(fā)育及后代的行為。未來可通過系統(tǒng)地比較動物研究結(jié)果和臨床數(shù)據(jù)，考察這些跨代遺傳是如何進(jìn)行的。