供稿：韩文卓，武汉大学
校稿：李天洲，武汉大学
推送：李天洲，武汉大学
今天给大家分享的文献发表在Nature上，标题为Epigenetic inheritance of diet-induced and sperm-borne mitochondrial RNAs，通讯作者是德国亥姆霍兹慕尼黑环境卫生研究中心（GmbH），的Raffaele Teperino。
肥胖不仅是一种代谢性疾病，还会通过表观遗传调控对后代健康产生深远影响。研究表明，父系的遗传信息传递不仅限于孟德尔遗传，还可以通过成熟精子中的小非编码RNA (sncRNAs) 传递遗传信息。父体环境，如高脂饮食（HFD）引起的代谢变化，会对附睾中的精子成熟过程造成影响。本研究主要探索父代在受孕前暴露于HFD对后代代谢健康的影响。研究亮点在于揭示饮食诱导的精子小非编码RNA影响早期胚胎发育和成年后代的代谢表型的表观遗传机制。
为了研究附睾精子对环境的敏感性，并分析附睾中精子成熟过程对父系代际效应的相对贡献，6周龄雄性小鼠被分为两组，分别饲喂HFD和低脂饮食（LFD）两周。两组雄鼠分别立即与未暴露的雌鼠交配（eHFD组），或在恢复常规饮食四周后（清空附睾，但睾丸中的精子尚未完成更新）交配（sHFD组），以区分附睾和睾丸对父体环境改变的敏感性，如图1a所示。结果表明，eHFD组父代约30%的后代表现出显著的葡萄糖耐量降低和胰岛素抵抗加重现象，如图1b-d所示。sHFD组父代后代未表现出代谢异常，表明这种效应是附睾环境直接作用的结果。RNA测序和功能富集分析检测结果显示两组后代脂肪代谢和肥胖风险相关的基因表达水平差异存在显著性，如图1e-g所示。
图1 父亲受孕时超重对小鼠和人类的后代代谢存在显著影响
提取eHFD组和sHFD组小鼠精子中的小RNA（sncRNA）进行表达差异性分析。结果显示，在急性高脂饮食下，与父系肥胖引起的跨代际效应相关的核tRNA的表达下降，并且出现片段化。相反，在急性高脂饮食下，线粒体tRNA（mt-tRNA）及其片段在精子中的表达上调，表明饮食改变会激活线粒体基因的转录这些变化。与mt-tRNA类似，线粒体rRNA片段也上调，这可能与线粒体功能的适应性反应有关。恢复正常饮食后，这些变化大多是可逆的，即在恢复4周后，sHFD组精子中的RNA类型没有显著变化如图2a-f、2h所示。研究还发现， 0.5%的mt-tsRNA序列在BMI变化中有显著的差异表达。在BMI变化的连续分析中，7个mt-tsRNA片段上调，而2个片段下调。这些片段的变化与BMI的变化呈正相关，上调的片段包括来自mt-tRNA和mt-tRNA的衍生片段，这些片段在急性高糖饮食和肥胖个体的精子中也表现为上调。其中，下调的片段与急性高脂饮食（HFD）处理后的小鼠精子中表现出的片段变化一致，如图2g所示。对睾丸和附睾内的精子进行平行采样，本研究发现mt-tsRNA和mt-rsRNA几乎仅在成熟精子中检测到，而不在精母细胞或圆形精子中，说明这些线粒体小RNA主要在精子的成熟阶段由线粒体转录产生，而不是通过精子发生过程传递，如图2i、j所示。
图2 mt-tsRNA是敏感的父系精子健康传感器
使用体外受精（IVF）模型，将HFD和LFD雄鼠精子与雌鼠卵母细胞结合，追踪父系mt-RNA的亲本来源，如图3a所示。对单个胚胎使用基于主成分分析（PCA）的聚类核转录组分析。结果显示，，HFD组胚胎与LFD组胚胎在转录组上有所不同，并且这种差异在雄性胚胎中更为显著。HFD组雄性胚胎在转录组的主成分分析中形成了两个独立的簇（HFD_A和HFD_B），而LFD组胚胎则趋向于一个簇。HFD_A雄性胚胎特别表现出更强的父系mt-tsRNA富集，表明这些RNA在胚胎中更为显著地传递和表达，如图3b、c所示。通过量化不同胚胎群体中416个SNP处父本等位基因的频率（表示为异质性= 1-母本等位基因频率），并进行异质性分析，研究发现HFD组雄性胚胎的父系mt-tsRNA的异质性较高，尤其是mt-tsRNA的富集在HFD_A雄性胚胎中最为显著，表明HFD暴露后的雄性胚胎更容易积累来自父系的mt-tsRNA如图3d-g所示。
图3 精子mt-tRNA序列受精时转移到卵母细胞
研究使用携带线粒体功能相关基因突变的小鼠，测试精子mt-tsRNA的变化及其对后代代谢的影响。差异基因表达分析显示，HFD_A雄性胚胎与LFD组胚胎存在差异转录，HFD_A组胚胎在与细胞代谢相关的基因，特别是氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）相关基因的上调，如图4a所示。基因本体论分析（GO分析）结果显示HFD_A组胚胎中的上调基因主要集中在细胞代谢相关的通路，尤其是氧化磷酸化途径。这一结果表明，HFD暴露导致胚胎的代谢基因过早激活，特别是与能量代谢、线粒体功能相关的基因。这种现象在HFD_A组雄性胚胎中尤为突出，如图4b、c所示。研究还发现在小鼠胚胎的预植入发育阶段，胚胎从卵管到子宫的氧气浓度变化导致的代谢适应。HFD_A组胚胎提前激活了氧化磷酸化，这与早期胚胎发育中的正常代谢适应相冲突，可能会影响胚胎的细胞结构和功能，如图4d所示。HFD_A雄性胚胎的代谢基因表达谱表明与父系超重和mt-tRNA遗传相关的氧化代谢的过早激活，如图4e所示。通过RNA测序数据分析，研究发现HFD父系暴露引起的代谢基因表达变化，并发现这些变化影响了F1代后代的代谢通路，尤其是氧化磷酸化相关基因的激活，导致后代的代谢适应出现异常，如图4f所示。通过IMPC（国际小鼠表型鉴定联盟）获取的表型数据，表明父系突变小鼠的雄性后代表现出较高的脂肪积累和葡萄糖耐量障碍，如图4g所示。本研究还探索了不同父系基因突变（如Mrpl23和Ndufb8）对后代代谢的影响: 父系Mrpl23和Ndufb8突变小鼠能够重新编程后代的代谢，导致后代表现出代谢异常,而Tsfm突变小鼠则未能影响后代代谢，成为初步机制研究的负对照。通过sncRNA-seq分析，研究发现Mrpl23和Ndufb8突变小鼠的精子中，5' mt-tsRNA显著积累，而Tsfm突变小鼠则没有这种积累现象，如图4i、h所示。这些结果表明，线粒体功能障碍（如Mrpl23和Ndufb8突变）通过调节精子中的mt-tsRNA，可能影响后代的代谢健康。
图4 线粒体代谢与父系表观遗传的双边联系
文章中通过多层次的实验设计系统性地阐明了急性HFD对精子表观遗传修饰的影响，并通过mt-tsRNA的父系传递机制揭示了其对后代代谢健康的深远影响。这种跨代效应为制定干预策略提供了潜在的分子靶点。
文章编号：489
原文链接：
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11186758/
原文引用：
Tomar A#, Gomez-Velazquez M#, Gerlini R#, Comas-Armangué G, Makharadze L, Kolbe T, Boersma A, Dahlhoff M, Burgstaller JP, Lassi M, Darr J, Toppari J, Virtanen H, Kühnapfel A, Scholz M, Landgraf K, Kiess W, Vogel M, Gailus-Durner V, Fuchs H, Marschall S, Hrabě de Angelis M, Kotaja N, Körner A, Teperino R*. Epigenetic inheritance of diet-induced and sperm-borne mitochondrial RNAs. Nature, 2024; 630(8017), 720-727.
