孕期镉暴露诱导雄性睾丸损伤与线粒体生物合成异常的多代遗传效应研究

为解决环境污染物镉导致的男性生育力下降及其跨代遗传机制不明的问题，研究人员开展孕期镉暴露对子代睾丸损伤与线粒体生物合成影响的研究，发现镉可诱发F1至F3代睾丸组织损伤、线粒体生物合成异常，并揭示印迹基因H19通过调控4EBP1磷酸化干扰TFAM蛋白翻译的关键作用，为镉的生殖毒性干预提供新思路。

　　

随着全球环境污染日益严重，重金属污染已成为威胁人类健康的隐形杀手。其中，镉（Cd）被世界卫生组织列为十大重点关注的污染物之一，它通过食物链（如稻米）进入人体，对多个器官系统造成不可逆的损害。尤其令人担忧的是，男性生育能力近年来呈现全球性下降趋势，约15%的育龄夫妇受不孕症困扰，其中男性因素占一半。环境污染物被认为是导致这一现象的重要风险因素，而镉的生殖毒性尤为突出——它可直接损伤睾丸组织，破坏血睾屏障，影响精子发生。更值得注意的是，近年研究发现，孕期暴露于某些环境毒物可能对后代产生跨代遗传效应，即毒性影响不仅限于直接暴露的子代，甚至可延续至第三代。然而，镉是否通过母体暴露引发睾丸损伤的跨代遗传，其具体机制如何，仍是未解之谜。

在这一背景下，研究人员在《Ecotoxicology and Environmental Safety》上发表了一项深入研究，旨在揭示孕期镉暴露如何通过影响线粒体生物合成和表观遗传调控，导致雄性后代睾丸损伤的多代遗传。

为开展本研究，作者建立了孕期镉暴露的多代遗传动物模型（SD大鼠），通过灌胃给予不同剂量CdCl₂（0.5、1.0、2.0 mg/kg/天），并观察F1（直接暴露）、F2（生殖细胞暴露）和F3（跨代暴露）代雄性后代的睾丸变化。关键技术方法包括：睾丸组织病理学分析（HE染色、Johnsen评分、曲细精管直径测量）、透射电镜观察线粒体超微结构、免疫荧光检测线粒体标志蛋白TOMM20、实时荧光定量PCR和Western blot检测线粒体生物合成相关基因（AMPK、PGC-1α、NRF1、TFAM）及蛋白翻译调控通路（mTORC1/4EBP1）表达、mtDNA拷贝数测定，并重点关注了印迹基因H19的表达变化。

3.1. 孕期镉暴露导致子代雄性大鼠睾丸结构和功能损伤

研究发现，在F1代，1和2 mg/kg CdCl₂组睾丸出现生精细胞层数减少、排列紊乱、细胞间隙增大等损伤，曲细精管直径和Johnsen评分显著异常。类似损伤在F2和F3代中同样出现，表明镉暴露的毒性效应可遗传至第三代。

3.2. 孕期镉暴露诱导子代大鼠睾丸细胞线粒体损伤

透射电镜显示，F1代2 mg/kg组睾丸细胞中线粒体数量减少、密度增加，出现空泡化。免疫荧光和mtDNA拷贝数检测发现，F1代中低剂量组线粒体含量升高而高剂量组降低，F2代无显著差异，F3代各暴露组均升高，提示镉暴露干扰了线粒体生物合成，且存在代际差异。

3.3. 子代雄性睾丸中线粒体生物合成相关基因的表达水平

在F1代，镉暴露上调了Ampk、Ppargc1α、Nrf1的mRNA表达，但TFAM蛋白表达却下调，出现转录与翻译水平的不一致。F2代相关基因表达无显著变化，F3代TFAM蛋白表达反而上调，提示机体可能存在代偿修复机制。

3.4. 孕期镉暴露导致子代雄性大鼠睾丸中TFAM蛋白翻译异常

进一步探究发现，TFAM蛋白与mRNA表达不匹配可能与蛋白翻译调控有关。在F1代，磷酸化4EBP1（p-4EBP1）蛋白水平下调，而mTOR、Raptor等蛋白未变化。F3代中p-4EBP1水平升高。已知印迹基因H19可抑制4EBP1磷酸化，实验显示F1代H19表达上调，F3代下调，与p-4EBP1变化趋势相反，表明H19可能通过调节4EBP1磷酸化状态，影响TFAM的翻译效率，进而干扰线粒体生物合成。

研究结论表明，孕期镉暴露可通过破坏睾丸线粒体生物合成导致子代雄性生殖损伤，且该效应可遗传至第三代。其中，TFAM是调控线粒体生物合成的关键分子，其蛋白翻译异常可能由H19/mTORC1/4EBP1通路介导。这一发现首次揭示了镉诱导睾丸损伤的跨代表观遗传机制，强调了印迹基因在环境毒物跨代遗传中的重要作用。研究不仅为理解镉的生殖毒性提供了新视角，也为早期预防和干预镉相关健康损害提供了潜在靶点（如监测H19表达）。减少孕期镉暴露，加强环境污染控制，对保障后代生殖健康具有深远意义。