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生殖研究 Reproductive study

新研究發現:原來備孕男性也需要補充葉酸,精子中表觀遺傳變化會影響后代健康

發布日期:2021-03-05    作者:昭遠制藥    

正在備孕或者處于孕期的準媽媽一定都非常熟悉“葉酸”。葉酸作為一種水溶性維生素,是人體細胞生長和繁殖必不可少的維生素之一。孕期女性缺乏葉酸不僅會導致習慣性流產、早產,甚至會導致新生兒畸形。但關于備孕男性缺乏葉酸如何影響新生兒的健康,這其中潛在的分子機制目前還不清楚。


近日,由加拿大麥吉爾大學的研究人員發表在《Developmental Cell》期刊上,題為“Histone H3 lysine 4 trimethylation in sperm is transmitted to the embryo and associated with diet-induced phenotypes in the offspring”的文章證明了缺乏葉酸會影響精子中組蛋白H3第4位賴氨酸上的三甲基化(H3K4me3),而且這種變化可以疊加并被傳遞至胚胎,導致子代發育缺陷。

https://doi.org/10.1016/j.devcel.2021.01.014


研究選擇野生型(WT)和KDM1A過度表達轉基因(TG)雄性小鼠,進行缺乏葉酸(FD)和富含葉酸(FS)的飲食喂養,KDM1A是在精子形成過程中調控H3K4me2/3水平升高的基因。在經過兩個生精周期(9-11周)后,FD WT和FD TG雄性小鼠新生兒后代發生出生缺陷,畸形包括彎曲的胸骨和未融合的胸骨軟骨,不對稱的骨頭和彎曲的肋骨。對比發現,FD TG雄性的后代出生缺陷程度最高,這些嚴重異常從顱面缺損到脊椎缺損。這說明父親葉酸缺乏與后代的出生缺陷相關,且過表達KDM1A與表型嚴重性增加有關。

低葉酸飲食后代表現的出生缺陷


為了確定精子染色質對于低葉酸飲食的敏感度,研究人員對每個實驗組建立了ChIP-seq精子文庫。對比分析發現,精子中的染色質對葉酸的缺乏很敏感,而且FD WT雄性小鼠精子中H3K4me3升高或降低的區域出現在不同的基因位點。進一步分析發現,對低葉酸飲食敏感的精子表觀基因組區域包括對發育功能有影響的啟動子和增強子,H3K4me3增加的啟動子富含早期胚胎發生,骨骼重塑和心臟發育有關的基因,H3K4me3減少的啟動子富含破骨細胞增殖,腎臟和耳朵發育以及染色質重塑的基因。

對低葉酸飲食敏感的精子表觀基因組區域


有趣的是,對比WT和TG雄性小鼠發現,當精子中H3K4me3已經發生變化時(TG雄性小鼠),較低的葉酸飲食環境,會疊加甲基化程度。

TG小鼠精子的疊加效應


接下來,研究人員探究了父親缺乏葉酸和KDM1A過表達如何影響胚胎中的基因表達。結果發現,到胚胎發育的8細胞時期,表達異常的基因有25%與精子中H3K4me3改變的啟動子重疊,這說明,父親H3K4me3可能部分地指導胚胎中的基因表達。

精子與胚胎發育中H3K4me3的對比


這項研究的創新之處在于證明了在組蛋白甲基化水平上的表觀基因組不僅限于子宮內胚胎發育的時期,也會發生在精子中,而且這種表觀遺傳變化可以在精子中積累,傳遞到下一代。


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