环境相关PFAS暴露通过改变小鼠精子表观基因组影响雄性生殖健康及后代发育

《Communications Biology》：Exposure of mice to environmentally relevant per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) alters the sperm epigenome

本研究针对全氟和多氟烷基物质（PFAS）对雄性生殖健康影响机制不清的问题，通过给小鼠长期暴露环境相关PFAS混合物，发现其虽不直接损伤精子功能和胚胎发育，但会降低睾酮水平、减少每日精子产量，并显著改变精子小非编码RNA谱，导致早期胚胎基因表达异常。这为PFAS的生殖毒性提供了新的表观遗传机制见解，警示其跨代遗传风险。

　　

在我们周围的环境中，隐藏着一类被称为全氟和多氟烷基物质（PFAS）的“永久化学品”。它们因其出色的防水、防油和耐热特性，被广泛应用于不粘锅、防水纺织品、食品包装和消防泡沫等众多工业产品和消费品中。然而，这些极难降解的化学物质也成为了无处不在的环境污染物，通过饮用水、食物链等途径在生物体和人体内持续积累。越来越多的证据表明，PFAS暴露与一系列健康问题相关，其中包括对雄性生殖功能的损害，例如睾丸癌发病率升高和精液质量下降。然而，PFAS具体通过何种机制影响雄性生殖健康，尤其是是否会将不良效应传递给后代，其科学证据仍不明确，这构成了当前环境健康领域的一个重要科学问题。

为了深入探究这一问题，由Leah Gillespie和Jacinta H. Martin等人领导的研究团队在《Communications Biology》上发表了他们的最新研究成果。他们设计了一项模拟人类真实暴露场景的实验，让成年雄性瑞士CD1小鼠通过饮用水持续摄入一种包含九种PFAS的环境相关混合物，持续时间长达十二周。研究人员随后系统地评估了PFAS暴露对小鼠全身健康、激素水平、睾丸功能、精子质量及其支持胚胎发育能力的影响，并特别聚焦于PFAS对精子表观遗传载体——小非编码RNA（sncRNA）谱的影响。

为开展此项研究，作者团队运用了几个关键技术方法：首先，建立了体内PFAS暴露模型，通过饮用水给予小鼠低剂量（模拟环境暴露）和高剂量（模拟职业暴露）的PFAS混合物12周。其次，利用液相色谱-串联质谱（LC-MS-MS）精确量化了小鼠血浆和睾丸组织中的PFAS积累水平及血液中的类固醇激素浓度。第三，通过计算机辅助精子分析（CASA）、精子染色质结构测定（SCSA）和彗星试验等技术评估了精子运动参数和DNA完整性。第四，采用体外受精（IVF）和胚胎培养体系检验了PFAS暴露后精子的受精能力和支持胚胎发育至囊胚的潜能。第五，通过小RNA测序技术深入解析了精子小非编码RNA（包括miRNA、tRF、piRNA等）谱的变化。最后，对通过IVF获得的4细胞期胚胎进行了转录组测序（RNA-seq），以分析父源PFAS暴露对早期胚胎基因表达的影响。

PFAS accumulates in the blood plasma and testes of exposed mice

研究结果显示，经过12周暴露后，PFAS在小鼠体内出现了显著的生物累积。在暴露低剂量PFAS的小鼠血浆中，检测到了五种PFAS（PFOS、PFHxS、PFHpS、PFOA、PFPeS），其浓度远高于饮用水中的浓度。同样，在睾丸组织中也检测到了除PFPeS外的四种PFAS，尽管浓度低于血浆，但仍高于饮用水中的水平。高剂量暴露组也呈现类似的累积趋势。生物累积因子（BAF）计算表明，两种暴露剂量下，PFAS在血浆和睾丸中的累积比例相似，提示尚未达到饱和阈值。值得注意的是，本研究所使用的PFAS剂量远高于澳大利亚、美国和欧盟设定的饮用水安全指南值。

PFAS exposure does not affect whole body or tissue weights

尽管PFAS显著累积，但分析发现，PFAS暴露对小鼠的总体重以及睾丸、附睾、精囊的绝对重量和相对体重比均未产生显著影响。唯一例外的是，高剂量PFAS暴露组小鼠的精囊液重量与体重之比显著降低。

Daily sperm production is reduced by PFAS exposure

对睾丸功能的评估揭示了一个重要发现：暴露于低剂量PFAS的小鼠，其每日精子产量（DSP）显著降低。然而，睾丸组织的苏木精-伊红（H&E）染色切片未显示明显的组织病理学改变，TUNEL凋亡检测也表明PFAS暴露并未引起生精细胞凋亡的增加。

Circulating mouse steroid hormones are altered following PFAS exposure

为了探究DSP降低的机制，研究人员检测了血液中的类固醇激素水平。研究发现，低剂量PFAS暴露显著降低了关键雄激素——睾酮和二氢睾酮（DHT）的循环浓度，而高剂量暴露组则无此显著变化。此外，高剂量暴露组的主要应激激素皮质酮浓度也显著降低。进一步分析发现，高剂量PFAS暴露还导致了睾丸组织内总胆固醇水平的显著下降。然而，对睾丸组织中八个类固醇合成关键基因表达的检测显示，除高剂量暴露组Lhcgr基因表达下调外，其他基因（包括与睾酮和DHT转化相关的Srd5a2和Hsd17b6）的表达均无显著变化。

PFAS exposure does not alter sperm viability nor a range of functional parameters

对附睾尾收集的成熟精子的功能评估表明，PFAS暴露并未影响精子的活力、运动能力、线粒体活性氧（ROS）水平以及DNA完整性（通过SCSA和彗星试验评估）。精子在体外诱导下发生获能的能力，以及其与卵子透明带结合的能力也未受显著影响。

The small non-coding RNA profile of spermatozoa is responsive to PFAS exposure

研究最关键的发现之一在于精子表观遗传层面的改变。小非编码RNA测序分析显示，PFAS暴露显著改变了精子的sncRNA谱。具体表现为：tRNA片段（tRFs）的比例下降，而rRNA片段（rsRNAs）和microRNAs（miRNAs）的比例上升。在低剂量和高剂量暴露组中，分别有3.7%和0.2%的tRFs发生了丰度变化。对于miRNAs，高剂量暴露组中有10.4%的miRNA丰度发生显著改变（110个上调，3个下调），而低剂量组仅有2.3%发生变化。值得注意的是，有四个miRNA（miR-203, miR-3620, miR-7682, miR-6966）在两个暴露组中均发生了一致性的改变。

Preimplantation gene expression is dysregulated in embryos fertilized by spermatozoa of PFAS-exposed males

为了探究精子sncRNA改变的功能意义，研究人员对由PFAS暴露精子受精产生的4细胞期胚胎进行了转录组分析。结果显示，父源PFAS暴露导致了早期胚胎基因表达的显著紊乱。在低剂量和高剂量暴露组中，分别有3.2%和3.8%的基因表达发生显著改变。生物信息学分析（Ingenuity Pathway Analysis, IPA）预测，这些基因表达的改变与多种疾病和功能异常相关，例如在低剂量暴露组胚胎中，“机体大小”相关通路被激活，而“胚胎死亡”、“生长衰竭”等通路被抑制；在高剂量暴露组中，“造血系统发育”被激活，而“血细胞死亡”被抑制。重要的是，一些在胚胎中差异表达的基因被预测是PFAS响应性精子miRNA的靶基因，如Arf3、Pdpn、Sidt2和Rab39，这提示了精子sncRNA改变影响胚胎发育的潜在分子桥梁。

综上所述，本研究揭示了环境相关PFAS混合物暴露对雄性生殖健康的一种新颖且潜在影响深远的作用机制。PFAS暴露虽不引起明显的睾丸细胞毒性或精子DNA损伤，但会干扰内分泌平衡，降低雄激素水平，进而减少精子产量。更重要的是，PFAS暴露会重塑精子的表观遗传景观，特别是小非编码RNA谱，这种父源的表观遗传信息可能被传递给胚胎，并扰乱早期胚胎的基因表达程序，潜在地影响后代的发育和长期健康。这项研究不仅将PFAS的生殖毒性效应延伸至跨代遗传的可能性，也为评估PFAS的环境健康风险提供了重要的机制见解，强调了在制定相关公共健康政策时，考虑环境污染物表观遗传效应的必要性。