摘要

肥胖是一种复杂的多因素疾病。全球超过19亿成年人患有不同程度的肥胖，而男性肥胖患者占到一半左右。随着男性肥胖的比例增加，精子质量下降和男性不育的比例逐渐上升。最近的研究指出肥胖可通过表观遗传改变影响精子发生，表观遗传是在不改变核苷酸序列的前提下，对基因表达变化的研究主要包括三个方面，即DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA（non-coding RNA，ncRNA）。动物模型的研究显示肥胖与精子、子代的体细胞和生殖细胞的表观遗传改变直接相关，表观遗传通过调控生殖细胞的形成和发育，在男性不育中发挥至关重要的作用，表观遗传的改变会导致精子畸形和精子功能异常。肥胖改变表观因子后，不仅可以改变精子功能，而且对后代会产生影响，例如父亲肥胖可通过精子表观遗传重编程影响后代的代谢和生殖表型，而适当的干预措施会对肥胖者精子和其后代的表观基因有一定的改善。本文将从肥胖引起精子表观遗传改变，对后代的影响和干预措施对精子表观遗传的影响这三个方面逐一综述。


肥胖发病率的增加引发了多种健康问题，增加了经济负担，引起了公众的关注［1］。肥胖除了与糖尿病和心血管疾病的关系密切之外，也是引起生殖障碍的重要的危险因素［2］。一项包括了2012年6月之前发表的21项相关研究（总样本为13 077名男性）的荟萃分析揭示了超重和肥胖与无精子症和少精子症患病率增加有关［3］。


近年来，肥胖对男性不育的影响已被人们所关注，先前的研究表明，体质量指数（body mass index，BMI）高的男性生育能力下降［4］。肥胖可能影响精子形成的机制包括热效应、高雌激素、促性腺激素过少、糖尿病、性功能障碍和精子表观遗传改变［5］。高脂饮食诱导肥胖小鼠模型的研究显示肥胖会引起精子能动性下降，增加精子中活性氧的含量和DNA的损伤［6］。


生育能力对季节、饮食和化学污染物等环境条件高度敏感［7］，而生物体对环境变化作出反应的生物调节系统是通过对基因组的表观遗传修饰来调节的［2］。环境因素可以不改变DNA序列而在基因组上留下生化印记来影响细胞的功能，因此表观基因修饰或许可以解释肥胖引起生殖功能改变的机制。表观基因的修饰可以使基因激活或者沉默，进而调控基因表达［8］。研究者对不育男性精子中组蛋白H4乙酰化水平进行定性或定量分析得出其量显著降低，而组蛋白H4乙酰化与精子生成受损有关［9］。研究已经证实精子是由微小RNA（microRNA，miRNA）（7%）、piwi蛋白相互作用RNA（piwi-interacting RNA，piRNA）（17%）和重复序列相关的小片段干扰RNA（small interfering RNA，siRNA）（65%）组成［10］。肥胖相关的并发症包括炎症、葡萄糖耐受不良、应激和高胆固醇血症，是精子中miRNA丰度和后代表型的预测因子［11］。


男性肥胖不仅会引起其生育能力下降而且对其后代的健康产生影响，例如父亲的肥胖与脐带血中DNA甲基化的改变有关，这表明父亲的内分泌、营养或生活方式状况可能会增强代际遗传的表观遗传异常［12］。表观遗传特征也很容易被各种“调节剂”改变，例如饮食、BMI、活动量、衰老、接触各种毒素和环境因素［5］，因此对肥胖患者采取适当的干预措施可以改变其表观基因，从而可以改善后代的生育力和代谢。


一、肥胖改变精子表观因子以及对后代的影响


生殖细胞发育和早期胚胎发生是表观遗传模式启动或维持的关键阶段，哺乳动物早期胚胎的表观基因组被广泛地重新编程，以获得全能的发展潜力［13］，而异常表观遗传修饰的后代在成人时可能表现出生殖的异常特征，最终导致不育表型［14］。动物研究表明，父亲的肥胖会增加后代代谢（如葡萄糖代谢缺陷、肥胖）和生殖障碍的风险，而精子表观遗传改变或许可以解释父亲所处环境变化对后代表型影响的作用机制［15］。对跨代遗传的研究表明，男性肥胖通过降低整体DNA甲基化和H3K9乙酰化来影响ncRNA的表达，从而改变精子的表观遗传修饰，进一步影响两代人［16］。


1.肥胖引起DNA甲基化改变对后代的影响


DNA的甲基化是指在胞嘧啶-鸟嘌呤二核苷酸（CpGs）中胞嘧啶的选择性甲基化［17］，可以发生在单个CpG位点或多个相邻的CpG位点，多个相邻的差异甲基化CpG位点被称为差异甲基化区域（differential methylation region，DMR）［18］，催化DNA甲基化的酶是DNA甲基转移酶（DNA methyltransferases， DNMTs），包括DNMT1、DNMT3A、DNMT3B和DNMT3C［19］。


DNA的甲基化是哺乳动物重要的表观遗传调控机制，其在胚胎发育的过程中可以引导和限制分化，防止退化到未分化状态。DNA甲基化在性染色体剂量补偿、反转录转座子的抑制、基因组的完整性、基因组稳定性的维持以及印记基因的协调表达等方面也起着重要的作用［20］。基因组印记是一种表观遗传机制，它确保来自母方或父方染色体的印记基因差异表达［21］，其可以逃脱受精后表观遗传重编程，导致异常的DNA甲基化的精子进入发育中的胚胎［22］。精子甲基化的改变是男性减数分裂过程中X染色体活性和父亲印记基因建立的必要条件［16］。


研究表明高脂饮食诱导肥胖雄性大鼠精子中5-甲基-2'-脱氧胞苷总量小幅度（0.25%）增加。通过甲基-CpG结合域蛋白富集基因组测序和焦磷酸测序对基因组重复部分的检测显示，精子中的逆转录转座子DNA甲基化状态不受肥胖的影响，但整个基因组的卫星重复位点的甲基化增加［23］。


有研究团队报道，高脂饮食诱导肥胖雄鼠及其后代精子与正常组相比有18个区域甲基化程度不同，其中Slc3a2和Tbrg4差异甲基化区域高甲基化，而Mfsd7表现出低甲基化［24］。研究者为了验证男性BMI和精子DNA甲基化的相关性，对294名接受体外受精或卵胞质内单精子注射男性精子中4个母系印记基因（MEST/PEG1、SNRPN/PEG4、NNAT/PEG5、SGCE/PEG10），3个父系印迹位点（H19-IG DMR、IGF2 DMR0、MEG3-IG DMR）和1个肥胖相关基因HIF3A进行亚硫酸氢盐焦磷酸测序，结果显示MEG3-IG DMR精子DNA甲基化与男性BMI呈正相关［25］。环境对配子表观重编程影响的研究指出超重或者肥胖男性精子中父系印记基因（maternally expressed 3，MEG3）、生长抑制蛋白（Necdin，NDN）、小核糖核蛋白多肽N（small nuclear ribonucleoprotein polypeptide polypeptide N，SNRPN）差异甲基化的区域表现出低甲基化［12］。在小鼠模型上的研究表明，MEST启动子的去甲基化可能导致该基因的过表达，导致脂肪细胞的增大和与代谢疾病相关基因的表达增强［26］。一项研究检测了92例新生儿脐血白细胞印记基因差异甲基化区域中甲基化百分比，结果显示与非肥胖父亲后代相比，肥胖父亲后代印记基因MEST，父系表达基因3（paternally expressed gene 3，PEG3）和神经纳素（neuronatin，NNAT）DMRs表现出低甲基化［27］。肥胖父亲的后代中NNAT的低甲基化与脂肪细胞和代谢调节以及儿童肥胖有关［28］。


在人类和动物模型中的流行病学研究表明，不利的亲代和/或宫内因素相关的表观遗传变化可能导致代谢性疾病的遗传性缺失。为了验证男性肥胖会引起精子表观基因的改变并通过精子传递给子代这一假说，有研究者对294名志愿者的精子和113个胎儿脐带血的样本中的8个基因进行甲基化的分析，其中包括母源性的印记基因（PEG1、PEG4、PEG5和PEG10），父源性的印记基因（H19-IG DMR、IGF2-DMR0和MEG3-IG DMR）和与肥胖相关的非印记基因HIF3A进行分析，结果显示父亲BMI对胎儿脐带血DNA甲基化的影响因孩子的性别而异，其中男性儿童脐带血中MEG3IG DMR、HIF3A的DNA甲基化水平与父亲的BMI呈正相关，女性儿童脐带血中IGF2 DMR0 DNA甲基化水平与父亲的BMI呈负相关，所研究的8个基因甲基化水平与母亲BMI均无相关性［25］。


2.肥胖引起组蛋白修饰改变对后代的影响

染色质最小的亚单位是核小体，由组蛋白H3、H4、H2A和H2B八个亚单位组成。组蛋白可以在翻译后被修饰例如甲基化、乙酰化、磷酸化和其他修饰［29］，它们可以相互作用或协同作用，使目的基因或者启动子保持活化或者是抑制状态［5］。研究表明组蛋白的修饰参与生殖细胞发育过程中同源染色体的配对和重组［30］。组蛋白甲基化通常发生在H3和H4特定赖氨酸和精氨酸残基，赖氨酸甲基化通常根据其所处的位置引起基因激活或抑制。Dnmt1是哺乳动物细胞中含量最多的DNA DNMTs［14］，甲基转移酶的异常会直接影响组蛋白的甲基化修饰。早在1992年就有研究者指出，小鼠Dnmt1的突变导致残留组蛋白严重的低甲基化修饰，从而促使精子出现双倍等位基因表达，差异甲基化区异常，导致妊娠迟缓最终造成胚胎死亡［31］。组蛋白乙酰化发生在N端保守的赖氨酸残基上，如组蛋白H3的赖氨酸残基9、14和组蛋白H4的赖氨酸残基5、8、12、16的乙酰化［17］。组蛋白乙酰化对染色体的结构改变和DNA双链或单链断裂的修复具有重要意义［16］，对精子形成也很重要，因为这个过程涉及组蛋白和精蛋白的转化。


研究显示，在精子发育的过程中，核小体组蛋白被精蛋白取代时可以引起精子DNA10倍紧实，这些致密的染色质对精子的活力是很重要的。高脂饮食诱导肥胖小鼠精子中参与胚胎发育调控基因H3残留量会增加［29］。H3K4me1是一种存在于转录起始位点和增强子区域的组蛋白修饰，常与基因转录活性相关［32］。高脂饮食诱导肥胖小鼠和正常饮食小鼠精子中转录调控基因H3K4me1富集存在差异［29］。


研究表明，组蛋白和精蛋白之间的转化发生异常时与男性的不育和精子DNA的损伤有关［33］，例如组蛋白H4过早的高乙酰化会引起组蛋白-精蛋白交换提前使得圆形精子成熟停滞，而导致不育［9］。研究者观察到组蛋白去乙酰化酶sirtuin（SIRT1-7）受摄入热量的调节，其中哺乳动物SIRT6蛋白参与依赖热量的DNA损伤修复，其位于精子细胞的过渡细胞核和成熟精子的顶体中具有ADP-核糖转移酶和H3去乙酰化酶（H3K9和K56）的活性［34-36］。在高脂饮食诱导肥胖的雄性小鼠中SIRT6蛋白表达量显著降低，引起精子H3K9乙酰化量和DNA的损伤增加［37］。成年男性精子研究显示H3K4me2不仅在许多启动子处富集，而且在发育转录因子启动子处富集水平显著。染色质免疫共沉淀测序（Chromatin Immunoprecipitation Sequencing，ChIP-Seq）分析结果显示H3K27me3富集在精子发育启动子处［38］。


3.肥胖引起精子非编码RNAs改变对后代的影响


非编码在表观遗传修饰中发挥重要作用，可以在基因和染色体水平调控表达，控制细胞分化［17］。成熟的精子中含有大量的非编码的RNAs，包括miRNA、piRNA、siRNA等，研究指出，piRNAs主要在生殖系中表达，通过抑制重复元件，维持基因组稳定性［39］，也可以调节编码基因的表达［40］，精子中miRNA含量既能对男性所处环境变化做出反应，也能改变基因表达谱，进而改变早期胚胎的发育［15］。研究指出父亲父代饮食、运动及应激通过精子中小ncRNA对子代表型的影响［41］。肥胖雄性小鼠改变睾丸中414个信使RNA（messenger RNAs，mRNAs）和11个miRNAs的表达，同时还会改变精子中miRNA含量，以及引起生殖细胞整体DNA甲基化减少四分之一［42］。


研究显示，高脂饮食诱导肥胖小鼠精子中miRNA含量存在差异，例如在精子中miR340-5p表达量下降，miR-196a-5p和miR-133b表达量增加。miR-133b的作用靶点胰岛素样生长因子1受体（insulin-like growth factor 1 recepter，Igf-1R），其是一种增殖和分化的调节因子，对滋养外胚层的形成也至关重要，肥胖精子中miR-133b表达量增加会抑制Igf-1R进而干扰滋养外胚层发育，导致移植前胚胎发育和着床受损［42］。


高脂饮食诱导肥胖大鼠精子中三个piRNAs（piRNA-025883、piRNA-015935、piRNA-036085）［43］、miR-293-5p和miR-880-3p含量下降［24］。另一项研究指出高脂饮食诱导肥胖小鼠精子中tRNA衍生小RNA（tRNA-derived small RNAs，tsRNAs）表现出表达谱和RNA修饰的改变，将该小鼠精子tsRNA片段注射到正常受精卵中，其子一代代谢紊乱，早期胚胎和胰岛代谢通路基因表达改变［44］。有研究者对精瘦和肥胖男性精子小非编码RNA（small non-coding RNA，sncRNA）含量的分析显示，sncRNA亚型中含量最丰富的是piRNAs和tRNA片段，两者相比其亚型分布没有变化，但是肥胖男性精子中特异性miRNAs、piRNAs、tRNA片段和小核RNA片段的表达水平改变［45］。


二、干预措施


1.锻炼和饮食干预


肥胖与营养过剩、膳食不均衡和久坐的生活方式有关，越来越多的证据指出锻炼可以有效的改善表观基因［46］。虽然目前尚不清楚是否运动本身会影响后代的表观遗传和健康状况，但是父亲运动会减弱异常精子中的miRNA和与高脂饮食诱导的肥胖和代谢功能障碍相关的DNA甲基化改变［47］。精子在受精时向卵母细胞传递大量的RNAs，包括miRNAs，这些RNAs可以影响第一次卵裂阶段、胚胎发育和后代的表型［48］。


研究表明高脂饮食诱导肥胖小鼠在进行8周的饮食或运动干预可以使大量X染色体相关的精子miRNAs正常化，这些miRNAs是调控细胞周期和凋亡的靶基因，也是卵母细胞和早期胚胎发生的中心途径，此外8周的饮食或运动干预也可以恢复雌性后代的胰岛素敏感性和正常肥胖［11］。一项研究招募24名健康男性将其分为干预组（13名）和对照组（11名），为了探究锻炼对精子DNA甲基化的影响，研究者观察到干预组在经过3个月的运动训练后精子DNA甲基化发生改变，而且这些DNA甲基化改变发生在与许多疾病相关的基因中，如精神分裂症和帕金森氏症，但是这些变化是否会遗传给后代还需要进一步的研究［49］。


2.手术干预


为了研究减重对人类精子表观基因组的影响，研究者在Roux-en-Y胃旁路手术前1周、术后1周、术后1年，对肥胖男性精子DNA甲基化进行分析，结果显示肥胖男性胃旁路手术1周后精子中有1509个基因甲基化状态发生改变，术后1年发生差异甲基化基因数目上升到3901个，尤其是涉及食欲中枢控制的遗传位置，这表明体质量减轻会引起精子表观基因组的改变［45］。


三、结语


男性因素导致的不育是一种常见的社会现象，但是具体的机制未完全阐明。有研究指出生殖系的异常表观遗传编程被认为是目前诊断为特发性不育的一些男性精子形成的可能机制。随着社会经济的发展，人们生活水平提高，肥胖导致不孕不育也逐渐成为人们关注的热点。近年许多研究已经证实肥胖会改变精子表观基因，这种改变也可以通过受精影响子代的代谢和生殖。近年的研究也指出无论是锻炼，节食还是手术都可以改变精子中的表观基因，但是具体机制的研究还不是很深入。因此未来需要更多的实验研究肥胖对精子表观基因改变，以及干预措施对精子表观基因改变的机制，以更好地为临床工作提供指南以实现优生优育。


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