环境因素通过mTOR/血睾屏障机制加速精子表观遗传衰老的机制研究

本研究针对环境因素如何影响精子表观遗传年龄这一关键问题，通过建立小鼠精子表观遗传时钟模型，探讨了mTOR依赖性和非依赖性血睾屏障(BTB)破坏在热应激(HS)和镉(Cd)暴露加速精子表观遗传衰老中的作用。研究发现两种应激源均通过不同机制破坏BTB，导致相似的DNA甲基化模式改变，提示mTOR/BTB通路是环境因素影响精子表观遗传编程的共同机制，为干预环境暴露对生殖健康的负面影响提供了潜在治疗靶点。

　　

在生殖医学领域，精子质量不仅关系到生育成功率，更与子代健康密切相关。近年来，表观遗传学(研究不涉及DNA序列改变的遗传信息传递的学科)研究揭示，精子携带的DNA甲基化(一种重要的表观遗传修饰)模式会受到年龄、生活方式以及环境暴露的显著影响。这些变化被认为可能传递给后代，影响其长期健康轨迹，例如增加神经发育障碍的风险。然而，一个核心的科学问题尚未完全阐明：纷繁复杂的环境因素，是通过何种共同的分子通路来重编程精子的表观遗传信息的？理解这一共性机制，对于评估环境风险和保护生殖健康至关重要。

此前的研究提示，雷帕霉素机制靶点(mTOR)信号通路及其对血睾屏障(BTB)的调控可能扮演关键角色。mTOR是一种关键的激酶，形成两个不同的复合物：mTORC1和mTORC2。有趣的是，它们对BTB（保护发育中精子免受有害物质影响的生理结构）和表观遗传衰老似乎有相反的作用：mTORC1活性增强会开放BTB并加速表观遗传衰老，而mTORC2活性增强则产生相反效果。那么，不同的环境应激源是否都汇聚于这一通路来发挥作用呢？

为了回答这个问题，由Olatunbosun Arowolo、Oladele A. Oluwayiose、Jiahui Zhu、Oleg Sergeyev、Emily Houle、J. Richard Pilsner和Alexander Suvorov组成的研究团队，在《F》杂志上发表了一项研究。他们旨在检验一个假说：无论是mTOR依赖性的还是mTOR非依赖性的BTB破坏，都是环境因素加速精子表观遗传衰老的共同机制。研究人员选择了两种典型的环境因素：热应激(HS)，它已知与mTOR通路相关；以及镉(Cd)暴露，它被认为可能通过mTOR非依赖的机制破坏BTB。

本研究主要采用了以下关键技术方法：研究利用C57BL/6小鼠模型，分别施加短期急性间歇性全身热应激（模拟人类热浪暴露）和氯化镉(CdCl₂)暴露。通过酶联免疫吸附测定(ELISA)技术分析mTOR复合物的激活状态。最关键的是，团队利用Infinium甲基化芯片平台，首次开发了适用于小鼠精子的表观遗传时钟模型，并借助生物信息学工具，系统比较了热应激、镉暴露以及自然衰老对精子DNA甲基化模式的深远影响。

结果

mTOR/BTB机制的激活

研究人员首先证实了两种应激源对BTB和mTOR通路的影响。结果显示，热应激(HS)能够激活mTORC1，从而导致BTB的开放。而镉(Cd)暴露则在不依赖mTOR通路的情况下，直接破坏了BTB的完整性。这表明，尽管起点不同，但两种环境因素都成功地削弱了保护精子的重要屏障。

精子表观遗传年龄的变化

应用新开发的小鼠精子表观遗传时钟进行评估，研究得出了关键发现：与对照组相比，经历热应激和镉暴露的小鼠，其精子的表观遗传年龄均出现了显著的加速衰老现象。这意味着，环境暴露在相对短的时间内，使精子的表观遗传状态“老化”了，类似于自然衰老过程中发生的变化。

精子DNA甲基化模式的比较

进一步的生物信息学分析揭示了更为深刻的机制。尽管热应激和镉暴露通过不同途径发起攻击，但它们最终在精子DNA上留下的甲基化“印记”却表现出高度的相似性。特别值得注意的是，这些发生甲基化改变的区域富集在与胚胎发育和神经发育密切相关的基因上。这提示，环境因素通过干扰BTB，可能以一种“殊途同归”的方式，影响了对后代健康至关重要的基因的表观遗传编程。

结论与讨论

本研究得出结论：mTOR/BTB机制是环境及其他应激源影响精子表观遗传衰老的一条新颖通路。无论是mTOR依赖性的热应激，还是mTOR非依赖性的镉暴露，最终都通过破坏BTB这一共同环节，导致了精子表观遗传年龄的加速和特定的DNA甲基化模式改变。这一发现的意义重大，它将看似不相关的环境暴露统一到了一个共有的分子框架下，极大地深化了我们对环境-生殖-子代健康之间联系的理解。

更重要的是，这项研究指出mTOR/BTB通路是一个潜在的治疗靶点。这意味着，未来有可能通过干预这一通路，来减轻或逆转环境因素对精子表观遗传程序的负面影响，从而为保护男性生殖健康和改善后代结局提供了新的策略和希望。该研究为环境表观遗传学领域贡献了重要的机制见解，强调了保护生殖细胞免受环境侵害的紧迫性。