父本运动通过精子microRNAs赋予子代耐力能力：PGC-1α/NCoR1轴介导的跨代代谢编程新机制

为解决父代运动获益能否遗传给子代这一科学问题，研究人员开展父本运动对子代耐力与代谢健康影响的研究，发现运动训练或肌肉特异性过表达PGC-1α可通过重塑精子miRNAs，在早期胚胎中靶向抑制核受体辅抑制因子NCoR1，重编程转录网络，从而增强子代线粒体生物合成、氧化代谢和胰岛素敏感性，揭示了精子miRNAs介导运动适应跨代遗传的新机制。

　　

近年来，越来越多的证据表明，父母的生活方式可以对后代的健康产生深远影响，而运动作为一种有效的健康干预手段，其益处是否能够遗传给下一代成为了科学家们关注的热点。虽然大多数研究集中在母亲运动对子代代谢健康、认知功能和运动表现的促进作用，但父亲运动对后代的影响却知之甚少。新兴研究表明，父亲可能通过精子表观遗传信息（如DNA甲基化、组蛋白修饰和小RNA）将获得性性状传递给后代。其中，精子小RNA（sRNAs）被认为是跨代遗传的关键介质，能够被父系环境暴露所改变，并在受精过程中传递给卵子，调控胚胎基因表达和发育编程，导致子代持久的生理和行为改变。然而，父本运动是否能够诱导精子中特定的sRNA谱，进而改善后代的运动能力和健康结局，仍是一个未解之谜。

耐力运动通过增强线粒体生物发生和促进肌纤维从糖酵解型向氧化型转变，诱导骨骼肌产生有益的代谢和结构适应。这些适应主要由过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子1α（PGC-1α）介导，其在运动后表达上调，并协调核和线粒体基因组编码的线粒体蛋白的表达。值得注意的是，在骨骼肌中特异性过表达PGC-1α的转基因小鼠，即使在没有运动训练的情况下，也表现出类似耐力运动的适应表型。那么，父本通过运动训练或PGC-1α过表达获得的耐力能力，能否通过精子遗传给后代？其背后的分子机制是什么？发表在《Cell Metabolism》上的这项研究为我们揭示了答案。

为了开展这项研究，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：建立了父本8周跑台运动训练和肌肉特异性PGC-1α过表达小鼠模型；通过体外受精（IVF）和胚胎显微注射技术（将精子总RNA、sRNA或特定miRNA mimic注入正常受精卵）；利用sRNA深度测序分析精子和2原核（2-PN）期胚胎中的小RNA表达谱；采用免疫荧光、Western blot、qRT-PCR等技术检测胚胎和子代肌肉中NCoR1、PGC-1α及相关代谢蛋白的表达；通过代谢笼、跑步机耐力测试、¹⁸F-FDG PET/CT成像等技术全面评估子代的运动能力和全身代谢表型。研究还纳入了经过心肺运动测试评估的人类训练者和未训练者，并分析了其精子miRNA表达。

Paternal exercise enhances endurance capacity and improves metabolic health in F1 offspring

（父本运动增强F1子代的耐力能力并改善其代谢健康）

研究人员将雄性野生型C57BL/6J小鼠随机分为运动训练组（F0-Et）和久坐对照组（F0-Sed）。经过8周训练后，F0-Et小鼠的耐力显著增强。随后，他们将这两组雄性小鼠与野生型雌鼠交配，产生F1代后代（F1-Et vs F1-Sed）。研究发现，与F1-Sed相比，F1-Et在增量负荷跑步机测试中奔跑至力竭的时间和距离显著延长，血乳酸水平降低，并且表现出更高的能量消耗和氧气消耗量（VO₂）。在给予高脂饮食（HFD）诱导肥胖后，F1-Et仍表现出更好的葡萄糖耐量和胰岛素敏感性。机制上，父本运动促进了子代腓肠肌（gastrocnemius）的肌纤维类型向氧化型（I、IIa、IIx型）转变，增加了线粒体质量（表现为SDH活性、CS活性、mtDNA含量升高）以及线粒体生物发生和功能相关基因（如PGC-1α, NRF1, TFAM, Cyt-C等）的表达。

Muscle-specific overexpression of PGC-1α in F0 transgenic mice directly confers high endurance capacity to their homozygous wild-type F1 offspring

（F0代转基因小鼠肌肉特异性过表达PGC-1α直接赋予其纯合野生型F1子代高耐力能力）

为了验证PGC-1α的关键作用，研究人员使用了骨骼肌特异性过表达PGC-1α的转基因小鼠（MCK-PGC-1α）。将雄性转基因小鼠（F0-PGC-1αTG）与野生型雌鼠交配，产生不携带转基因的野生型子代（F1-PGC-1αWT）和携带转基因的子代（F1-PGC-1αTG）。令人惊讶的是，即使不携带转基因，F1-PGC-1αWT子代也表现出介于F1-Sed和F1-PGC-1αTG之间的中间表型，包括增强的耐力性能、更高的氧化肌纤维比例、增加的线粒体含量以及上调的线粒体代谢相关蛋白表达。这表明父本肌肉PGC-1α的状态本身就能影响后代的性状。

Sperm sRNA, but not lRNA, contributes to paternal transmission of endurance capacity and metabolic health to F1 offspring

（精子sRNA而非lRNA介导了父系耐力能力和代谢健康向F1子代的传递）

为了探究精子RNA是否介导这种跨代遗传，研究人员从F0-Et和F0-Sed小鼠的精子中提取总RNA，并将其显微注射到正常的受精卵中。结果发现，注射F0-Et精子RNA的IVF子代（F1-RNA-Et）重现了父本运动带来的表型。进一步将精子RNA分离为长链RNA（lRNA, >200 nt）和小RNA（sRNA, <200 nt）后进行注射，发现只有注射F0-Et精子sRNA的子代（F1-sRNA-Et）才能获得增强的耐力、代谢改善和肌肉线粒体增多等表型，而注射lRNA则无此效果。这表明精子sRNA是父本运动获益跨代传递的关键载体。

Sperm miRNAs are significantly altered in response to exercise training and efficiently transferred to oocytes

（运动训练显著改变精子miRNAs并使其高效进入卵子）

通过对精子进行sRNA测序，研究人员发现运动训练和PGC-1α过表达均能显著重塑精子miRNA的表达谱。共有27个miRNAs在F0-Et和F0-PGC-1αTG的精子中共同差异表达，其中10个（如miR-148a-3p）在两者中均显著上调。值得注意的是，这10个miRNA中有7个在人类训练者的精子中也同样上调，显示了跨物种的保守性。通过定量分析，他们发现每个F0-Et精子携带的miR-148a-3p拷贝数显著高于F0-Sed精子。进一步对2-PN期合子的sRNA测序分析证实，来自运动父本精子中的这些miRNA能够成功进入早期胚胎并富集。

Exercise-induced sperm miRNAs inhibit NCoR1 expression in early embryos

（运动诱导的精子miRNAs抑制早期胚胎中的NCoR1表达）

生物信息学分析预测，这些上调的精子miRNAs其靶基因显著富集在“转录辅调节活性”等功能上，其中核受体辅抑制因子1（NCoR1）是一个被多个miRNA（如miR-25-3p, miR-148a-3p, miR-450a-5p, miR-490-5p）靶向的关键枢纽基因。NCoR1是PGC-1α的功能拮抗剂，能招募染色质修饰复合物抑制转录。荧光素酶报告实验证实了这些miRNAs可直接结合NCoR1的3'非翻译区（3'UTR）并抑制其表达。在体内实验中，将F0-Et的精子头部或精子sRNA注射入卵子后，发育至8-细胞期的胚胎（Emb-Et, Emb-sRNA-Et）中NCoR1的蛋白和mRNA水平显著降低，而PPARs和ERRα的mRNA水平则上调。

Injection of miR-148a-3p into normal zygotes confers high endurance capacity to offspring

（向正常受精卵注射miR-148a-3p可赋予子代高耐力能力）

为了模拟精子miRNA的作用，研究人员将合成的miR-148a-3p mimic注射到正常野生型受精卵中。由此产生的子代（F1-miR-148a-3p）在胚胎期就表现出NCoR1的下调，并在成年后展现出与F1-Et类似的表型：耐力增强、肌肉氧化纤维增多、线粒体生物发生增强。这表明单独注射miR-148a-3p就足以模拟父本运动的效果。

Restoration of NCoR1 in early embryos mitigates sperm sRNA-induced exercise adaptation

（在早期胚胎中恢复NCoR1表达可减轻精子sRNA诱导的运动适应）

最后，研究人员进行了挽救实验。他们将NCoR1过表达质粒与F0-Et的精子sRNA共注射到受精卵中。结果发现，过表达NCoR1成功逆转了精子sRNA导致的胚胎NCoR1抑制。更重要的是，这种逆转完全消除了精子sRNA带来的子代运动能力增强和代谢改善等有益表型，将子代的运动表现和肌肉PGC-1α蛋白表达、线粒体含量均恢复至对照组水平。这直接证明了胚胎早期NCoR1的下调是精子sRNA介导父本运动获益跨代遗传的必要条件。

结论与意义

本研究揭示了父本运动通过精子miRNAs（如miR-148a-3p）介导的跨代遗传新机制。运动训练或肌肉PGC-1α过表达会重塑精子miRNA谱。这些miRNA在受精时进入卵子，并在胚胎早期直接靶向抑制核心转录抑制因子NCoR1的表达。NCoR1的下调解除了其对PGC-1α及其下游代谢基因（如PPARs, ERRα）的抑制，从而重编程了胚胎的转录网络，最终导致子代骨骼肌出现持续的适应性变化：线粒体生物发生增强、氧化代谢能力提升、肌纤维类型向氧化型转变，从而获得更高的耐力运动能力和更好的代谢健康（如胰岛素敏感性）。

该研究的意义在于：首先，它首次确立了父本运动、精子miRNAs（特别是miR-148a-3p）、胚胎NCoR1在介导运动诱导表型和代谢适应跨代传递中的因果关系，为“用进废退”的拉马克式遗传提供了坚实的现代分子生物学证据。其次，它发现了一种成本低廉且非侵入性的改善后代健康的新途径，即父亲通过体育锻炼就能为子女的健康“投资”，强调了父亲孕前健康的重要性。最后，该研究揭示了胚胎发育极早期是一个关键的、可塑的窗口期，微小的转录扰动（如NCoR1的抑制）可通过“蝴蝶效应”放大，对成年期的生理功能产生持久影响，这为早期发育编程和代谢性疾病的起源提供了新的见解。

未来的研究需要进一步阐明运动如何精确重塑精子miRNA的组成，这些miRNA是否具有肌肉以外的效应，以及跨代效应中存在的显著性别二态性的具体机制。尽管如此，这项研究无疑加深了我们对父系遗传的理解，并为通过改变父代生活方式来预防后代代谢性疾病提供了全新的视角和理论依据。