JNI︱复旦大学黄荷凤院士团队揭示高龄父亲引起子代神经炎症风险加剧

学术   2024-10-10 00:00   上海  

【神经科学前沿技术培训系列】详见文末


撰文黄荷凤团队

责编︱王思珍


高龄父亲Advanced paternal age, APA)子代常伴随神经精神疾病风险上升,自闭症发病率上升等不良结局[1-3]。既往研究表明,亲代的不良暴露会对精子的表观遗传产生影响,进而通过跨代遗传影响子代健康[4]随着生育年龄的不断延迟,明确高龄父亲子代的神经行为不良表型以及疾病发生机制或可为生育咨询提供新的诊疗策略。


m6ARNA N6-methyladenosine修饰作为真核生物mRNA丰度最高的内源性修饰,在精子的发生发展和神经发育过程中均发挥重要的作用[5, 6]然而,衰老引起的精子m6A变化尚不清楚,其对子代的影响也值得进一步探究。


2024104日,复旦大学黄荷凤院士团队在神经炎症领域权威期刊Journal of Neuroinflammation上发表了题为“Advanced paternal age exacerbates neuroinflammation in offspring via m6A modification-mediated intergenerational inheritance”的文章,毛翌婷博士与孟益聪博士为论文共同第一作者,黄荷凤院士,潘洁雪刘欣梅研究员为论文共同通讯作者。该研究解析了m6A修饰在高龄父亲所致子代认知障碍和自闭症样行为发生中的代际传递机制。明确衰老父亲精子中m6A阅读蛋白Ythdc1显著升高是高龄父亲所致子代认知障碍发生的关键物质基础。精子Ythdc1的过度表达会传递至子代,并触发子代海马组织小胶质细胞中关键RNANr4a2的转录抑制,进而使其过度激活导致子代认知障碍及自闭症样行为的发生。



目前尚未有研究报道小鼠模型中子代认知功能的行为学变化,因此研究人员通过Y迷宫,新物体识别以及三箱社交实验确定了高龄父亲子代小鼠存在认知功能障碍以及自闭症样行为(图1A-E。成年期子代小鼠海马组织转录组分析发现实验组小鼠出现大量基因表达量改变,GSEA富集分析提示线粒体呼吸链等相关通路表达水平下调(图1F, G

 
1. 高龄父亲子代小鼠出现认知功能障碍以及自闭症样行为

随后,研究人员发现高龄父亲子代小鼠炎症通路激活,并通过ELISA检测验证海马组织匀浆中促炎因子水平显著上升,抑炎因子水平显著下降(图2A-C。免疫荧光结果显示,高龄父亲组小鼠海马中的小胶质细胞数量上升,呈现过度激活状态,表现为胞体增大,分支数下降,突触吞噬上升(图2D-K为了进一步验证小胶质细胞在其中的作用,饲喂实验组小鼠PLX3397药物以清除小胶质细胞可以改善子代的炎症状态,提高认知功能和社交行为。


2. 高龄父亲子代出现神经炎症加剧以及小胶质细胞的过度激活

为了进一步探究子代发生神经炎症的机制,研究人员针对亲代精子以及子代海马进行了转录组联合m6A修饰谱测序,并通过GOKEGG分析发现m6A修饰位点的变化在神经发育相关通路中显著富集(图3A-D将亲代精子和子代海马差异甲基化基因取交集发现, 共同出现mRNA甲基化水平上升的基因富集在了轴突生成,突触组装等通路(图3 E-F。此外,研究人员结合前期文献锚定Nr4a2为子代神经表型相关靶基因,并通过Ythdc1靶向的RIP-qPCR以及MeRIP-qPCR证实,Ythdc1识别Nr4a2m6A修饰位点进而出现转录水平的下降。

 
3. 高龄父亲精子与子代海马均出现神经发育相关的m6A修饰通路的改变

上述结果说明,高龄父亲精子中m6A阅读蛋白Ythdc1的上升是引发子代神经验证及认知功能障碍的重要物质基础。为了进一步证实Ythdc1的功能,研究人员通过体内以及体外的靶向干预Ythdc1的表达水平探究其对小胶质细胞激活状态以及神经炎症的影响。实验发现,在体外细胞系中过表达Ythdc1会引起促炎因子mRNA水平上升,激活的小胶质细胞数量增多。实验组小鼠海马原位注射靶向小胶质细胞的Ythdc1敲降病毒后,小鼠Nr4a2表达量上升,认知功能以及自闭症样行为均出现明显恢复(图4 A-F,促炎因子水平下降,抑炎因子水平上升(图4 G-H。接着,研究人员通过体外人工授精,在小鼠胚胎发育过程中检测Ythdc1以及Nr4a2的表达情况,提示与成年期小鼠结果一致。这一部分结果提示,高龄父亲精子中Ythdc1的上升可以跨代传递到子代小鼠海马组织中,通过识别m6A的修饰情况调控mRNA转录,进而影响子代的行为学表型。


(4. 实验组体内靶向敲降小胶质细胞的Ythdc1可以缓解神经炎症,改善行为学表型)



5. 文章摘要

文章结论与讨论,启发与展望
综上所述,这项研究首次描述了衰老父亲精子中的m6A 图谱变化及其在胚胎发育过程中的遗传特征,揭示了导致后代小鼠出现神经炎症诱发并认知功能与社交行为的障碍(图5。精子中m6A阅读蛋白Ythdc1水平的上升可以通过跨代传递诱导子代转录变化,进一步引起相关的不良表型。该研究进一步阐明了高龄父亲子代存在的可能风险,为延迟生育所需的预防干预及诊疗措施提供了重要参考。

原文链接:https://jneuroinflammation.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12974-024-03248-8

通讯作者:黄荷凤院士、潘洁雪副主任医师、刘欣梅研究员


基金支持:国家自然科学基金基础科学中心项目能量代谢与健康,国家自然科学基金, 上海市卫健委协同创新集群项目基于生命早期千天计划的发育源性疾病的病因及防治研究,中国医学科学院医学与健康科技创新工程项目资助。



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参考文献

1.Saha, S., et al., Advanced paternal age is associated with impaired neurocognitive outcomes during infancy and childhood. PLoS Med, 2009. 6(3): p. e40.

2. D'Onofrio, B.M., et al., Paternal age at childbearing and offspring psychiatric and academic morbidity. JAMA Psychiatry, 2014. 71(4): p. 432-8.

3. Wang, S.H., et al., Advanced Paternal Age and Early Onset of Schizophrenia in Sporadic Cases: Not Confounded by Parental Polygenic Risk for Schizophrenia. Biol Psychiatry, 2019. 86(1): p. 56-64.

4. Chen, Q., et al., Sperm tsRNAs contribute to intergenerational inheritance of an acquired metabolic disorder. Science, 2016. 351(6271): p. 397-400.

5. Lin, Z., et al., Mettl3-/Mettl14-mediated mRNA N(6)-methyladenosine modulates murine spermatogenesis. Cell Res, 2017. 27(10): p. 1216-1230.

6.Shafik, A.M., et al., N6-methyladenosine dynamics in neurodevelopment and aging, and its potential role in Alzheimer's disease. Genome Biol, 2021. 22(1): p. 17.

编辑︱王思珍
本文完



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