尼古丁暴露致精子发生障碍及DNA甲基化改变的机制与可逆性研究

本研究针对男性生育期吸烟危害生殖健康的重大问题，通过人群样本和动物模型揭示尼古丁通过干扰三羧酸循环(TCA)和组蛋白-鱼精蛋白转换(histone-to-protamine transition)，导致精子DNA甲基化异常和能量代谢障碍。研究人员采用单细胞RNA测序(scRNA-seq)和全基因组甲基化测序(WGBS)技术，首次证实短期戒烟可部分逆转尼古丁对精子质量和表观遗传的损害，为临床戒烟干预提供重要依据。

　　

在现代社会，吸烟已成为威胁男性生殖健康的重要公共卫生问题。全球疾病负担研究(GBD 2019)显示，32.7%的育龄男性是活跃吸烟者，而电子烟等新型烟草制品在年轻人群中的使用率更是急剧上升。尽管已知吸烟会降低精子浓度、活力和正常形态率，但尼古丁——烟草中最主要的生物活性成分——如何破坏精子发生过程，以及这些损害是否能在戒烟后逆转，始终是悬而未决的科学难题。

来自浙江大学医学院附属妇产科医院和复旦大学代谢与整合生物学研究院的研究团队在《Communications Biology》发表重要成果。研究人员创新性地结合人群队列和动物模型，通过计算机辅助精液分析(CASA)、单细胞转录组测序和靶向代谢组学等技术，系统阐明了尼古丁损害精子发生的分子机制，并首次证实短期戒烟可显著改善尼古丁引起的表观遗传异常。

研究采用三大关键技术方法：1) 收集18名非吸烟者、19名吸烟者和14名戒烟者(至少3个月)的精液样本进行CASA分析；2) 建立小鼠尼古丁饮水模型(200μg/mL，8周)和5周戒烟干预组；3) 运用scRNA-seq解析睾丸细胞图谱，WGBS检测精子DNA甲基化模式，结合高效液相色谱(HPLC)和液相色谱-质谱联用(LC-MS/MS)进行代谢组学分析。

尼古丁暴露对精子质量与数量的损害具有部分可逆性

人群数据显示吸烟者精子浓度、总活力(38.7% vs 55.1%)和正常形态率(3.8% vs 6.2%)显著降低，而戒烟组这些参数明显改善。小鼠实验证实尼古丁暴露使睾丸重量减少23%，生精小管直径缩小18%，但戒烟后基本恢复至对照组水平。血清睾酮水平在尼古丁组降低42%，而戒烟后回升至正常范围。

单细胞转录组分析揭示尼古丁对精子发生的多重干扰

scRNA-seq鉴定出18种睾丸细胞类型，发现尼古丁使体细胞比例下降29%，晚期精子细胞(eSTid_4)减少41%。差异基因分析显示：1) 上调基因富集于呼吸链复合体(如mt-Co1、Cox5a)；2) 下调基因涉及精子发育和鱼精蛋白家族(如Prm1、Prm2)；3) 凋亡通路在精子细胞中显著激活，TUNEL染色证实尼古丁主要诱导精子细胞凋亡。

睾丸微环境代谢紊乱与缺氧应激

靶向代谢组学检测到279种代谢物，尼古丁组出现：1) TCA循环关键代谢物(柠檬酸、乌头酸)下降50%；2) 糖酵解产物(乳酸)升高2.1倍；3) ATP水平降低37%。免疫荧光显示尼古丁组睾丸缺氧诱导因子HIF-1α表达增加3倍，活性氧(ROS)水平上升2.5倍，而戒烟后这些异常明显改善。

精子DNA甲基化异常的可逆性改变

HPLC检测显示尼古丁组精子全基因组甲基化水平升高(86.99% vs 85.01%)。WGBS鉴定出393个高甲基化和184个低甲基化差异区域(DMRs)，其中减数分裂相关基因(Sycp3、Ddx4)启动子低甲基化，而戒烟后57%的异常甲基化区域恢复。人群样本验证显示SYCP3启动子甲基化在戒烟组恢复至非吸烟者水平。

这项研究首次系统阐明了尼古丁通过"代谢-表观遗传"双重机制损害精子发生：1) 破坏TCA循环导致能量危机；2) 干扰组蛋白-鱼精蛋白转换；3) 诱导减数分裂相关基因异常甲基化。更重要的是，研究发现即使短期戒烟(相当于一个生精周期)也能显著改善精子质量和表观遗传标记，这为临床指导育龄男性戒烟提供了关键科学依据。研究还提示，尼古丁引起的ROS升高和甲基供体增加可能是驱动DNA甲基化异常的核心因素，这为开发针对性干预措施指明了新方向。该成果不仅对男性生殖健康具有重要指导价值，也为环境因素导致的表观遗传改变可逆性研究提供了典范。