短期高糖对精子质量有影响 暗示tsRNA在表观遗传世代效应中有作用?

【字体: 时间:2019年12月31日 来源:生物通

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  研究发现短期高糖饮食提高精子活力和精子中tsRNA的表达,提示精子活力与tsRNA的生物合成之间存在饮食敏感性的共享机制,人类精子可以根据快速的环境变化重新改变精子sncRNA。在其他物种中这种改变能够成为传递给下一代的信息,那tsRNA在人类表观遗传世代效应中是否有作用呢?

  

精子受饮食影响,其作用迅速出现。这是Linköping 大学研究人员的一项研究的结论,发表在《PLOS Biology》上。研究提供了对精子功能的新见解,并且从长远来看可能会为测量精子质量的新诊断方法做出贡献。

精子质量可能受到多种环境和生活方式因素的损害,其中肥胖和相关疾病(如2型糖尿病)是众所周知的可能造成精子质量不佳的危险因素。全球肥胖率上升和精子质量持续下降是近几十年来出现的两个令人震惊的趋势。最近对137个报告进行的荟萃分析估计,在过去35年中,精子浓度下降了57%。因此,更好地了解影响人类精子质量的因素变得越来越紧迫。

在此前的研究中,科学家发现,如果让雄性果蝇在交配之前短期摄入过多的糖,这种果蝇往往倾向于繁殖出超重的子代。对小鼠的类似研究表明,一种被称为tsRNA的RNA小片段在这种“传递给子代的表观遗传现象”起某种作用。这些RNA小片段普遍且大量存在于许多物种(包括人类,果蝇和小鼠)的精子中。到目前为止,尚未对其功能进行详细研究。科学家推测,精子中的这些RNA小片段可能与表观遗传现象有关——在某些情况下,这种表观遗传变化可能通过精子或卵子将父母亲的某些特性传给后代而不改变染色体遗传序列。

这项新的研究旨在研究高糖摄入是否会影响人类精子中的RNA片段。研究招募了15名20-27岁体重指数正常的、不吸烟的年轻人,进行为期2周的饮食干预对精子质量的影响。受试者在为期两周的时间内按照研究人员要求的食谱进行饮食。第一周的食谱以北欧人健康饮食的营养建议为基础,第二周的食谱在此基础上每天增加相当于总能量消耗(TEE)的50%的糖——平均每天375克糖,相当于约3.5升碳酸饮料或450克糖果。在研究开始时,第一周(在此期间他们饮食健康)和第二周之后(在参与者额外食用大量糖时),对参与者的精子质量和其他健康指标进行了分析。

结果表明,第一周饮食使得受试者能够保持初始体重,而第二周的卡路里摄入量则使个人体重增加。脂肪与肌肉的比例表明,增加体重的主要部分是肌肉,表明在短期内健康年轻男性的高糖饮食具有合成代谢作用。包括血红蛋白,血小板浓度和谷氨酰转移酶在内的几个参数发生了微小但显然的变化,血清甘油三酯的变化很明显,胆固醇代谢改变明显。空腹血糖不受高糖饮食1周的影响,证实了参与者非病理性糖代谢。

精液样本采集了3次:第一次是在干预开始时进行的,第二次是在健康饮食周后进行的,第二次是在高糖饮食周后进行的。参与者之间的精子总数是可变的,并且不受饮食的影响。在干预的2周内,所有个体的精子活力都稳定在高水平。值得注意的是在研究开始时,15个参与者中有5个精子活力起点非常低,接近或低于参考值34%——精子活力是影响精子质量的几个因素之一,本研究中精子活力低的人群与普通人群的比例相当(三分之一)。研究人员惊讶地发现所有参与者的精子活力在研究过程中都恢复正常。精子活力和肌肉量的同时增加表明,在健康食谱的基础上高糖饮食1周对年轻健康的参与者具有同化作用。

从精子样本中提取RNA并进行小RNA测序。对来自同个体的重复采样精子进行的小RNA测序表明,通过食用高糖饮食仅1周,小RNA的相对分布发生了显著变化,精子tsRNAs的特定亚型,主要是i-tsRNAs和3'-tsRNAs,在饮食的反应中被强烈上调。miRNA增加,而核糖体来源的小RNA(rsRNA)减少。这些tsRNA的生物发生涉及两个独立的途径:一类涉及在成熟核tRNA的T环中具有特异性切割的新片段,另一类仅涉及线粒体tsRNA。

什么导致了小RNA的这种变化?这种变化的意义是什么?tsRNA在人类的代谢世代效应中有作用吗?
最近在小鼠的研究表明,雄性生殖系中的体细胞能够将sncRNA(非编码小分子RNA,包括上述各种小RNA在内)通过精腔转移到成熟的精子中。RNA从体细胞到生殖系的转移是一种潜在的信息传递途径,表明移动RNA可能是世代之间表观遗传的分子机制。这种RNA的转移被认为是由外泌体(exosomes)介导的,这种小的细胞外囊泡已知可携带一系列生物活性分子,包括sncRNA,并且在人类精液中含量丰富。从人类精液中提取的前列腺小体(prostatasome)RNA序列已被证实含有sncRNA,包括tsRNA,但尚不清楚它们是否能将“携带的sncRNA”运送到成熟精子中。前列腺体可以提高精子的活力。该研究的发现,在短期饮食干预下精子活力和tsRNA同时增加,与外泌体从体细胞到生殖细胞的转移途径是符合的。

鉴于越来越多的证据表明sncRNA是细胞间通讯的移动来源,一个有趣的想法是,这种通讯从精子到卵子也是有效的。这在小鼠的研究中获得有力支持,但由于伦理约束,这类研究很难在人类身上进行,目前仍没有人类卵细胞对精子中sncRNA或sncRNA的变化作出反应的确凿证据。

但这项研究表明,人类精子具有可塑性,可以根据快速的环境变化重新改变精子sncRNA。而在其他物种中这种改变能够成为传递给下一代的信息。那么人类精子的这种变化会影响什么、产生怎样的结果?具有什么生理意义呢?tsRNA在人类的代谢世代效应中有作用吗?这里留下了一个很大的研究空间。

Linköping大学的临床和实验医学部的研究负责人AnitaÖst表示:“我们发现饮食会影响精子的活力,我们可以将这些变化与精子中的特定分子联系起来。我们的研究表明,这种快速反应在一到两周后就很明显。”“精子活力可以在短期内改变,并且与饮食密切相关。这具有重要的临床意义。但是我们不能说是否是糖引起了这种作用,因为它可能是基本健康饮食中对精子有积极作用的一种成分”。

糖敏感性tsRNA的变化与精子活力同时变化呈正相关,与肥胖呈负相关。饮食对人精子中tsRNA的这种快速反应与模式生物中发现的父系世代间代谢反应相吻合。精子活力与tsRNA的生物合成之间存在饮食敏感性的共享机制,这为营养与男性生殖健康之间的相互作用提供了新的见解。

由于发现与精子活力有关的小RNA片段也发生了变化,研究人员计划继续这项工作,调查男性生殖能力和精子中RNA小片段之间是否存在联系。他们还将将研究小片段RNA是否可用于新的诊断方法,以在体外受精过程中测量精子质量。

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