多代不同毒物暴露与性别特异性杂交对精子表观遗传学和肥胖病理学的表观遗传跨代遗传

《Epigenetics》：Multiple generation distinct toxicant exposures and epigenetic transgenerational inheritance of sex?specific outcross impacts on sperm epigenetics and obesity pathology

　　

环境因素可以影响病理学跨代遗传的表观遗传。先前研究发现多种毒物通过表观遗传跨代遗传增加后代病理学。先前，三代大鼠分别暴露于乙烯菌核利(vinclozolin)(F₀代)、喷气燃料烃混合物(JP8)(F₁代)和双对氯苯基三氯乙烷(DDT)(F₂代)，产生跨代F₅代。当前研究通过将这一跨代F₅代与野生型大鼠杂交以创建母本和父本杂交谱系，分别标记为MOC和POC，来扩展该研究。在当前研究中，研究人员检查了杂交F₆代后代中的差异DNA甲基化区域(differential DNA methylated regions, DMRs)，以检测潜在的亲本起源谱系特异性遗传影响。当将F₆代的杂交MOC和POC谱系与来自同一谱系、无毒物暴露的对照杂交F₃代进行比较时，在F₆代谱系中观察到更高数量的DMRs。此外，虽然两个MOC和POC杂交世代之间存在一些共同重叠，但只有F₆ POC代与先前研究的F₅多代暴露谱系世代（也是父本杂交）有重叠。由于先前的病理学分析已很广泛，当前研究仅进行了有限的病理学（例如肥胖）分析，以主要确认F₆代杂交谱系中的跨代病理学。对照同一谱系F₃代与两个杂交F₆代之间的比较确定了杂交特异性结果，提示祖先毒物暴露后的性别特异性表观遗传遗传。因此，卵母细胞和精子都促进表观遗传跨代遗传。

论文解读：
表观遗传学关注DNA周围调控基因组活性的分子因子和过程，其独立于DNA序列且具有有丝分裂稳定性。环境因素如异常营养、应激、温度和毒物暴露可影响从植物到人类等生物体的表观遗传遗传。这种表观遗传遗传不同于经典遗传，它涉及DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质结构和非编码RNA(ncRNA)等可遗传的表观遗传机制，这些机制独立于DNA序列调控基因表达。尽管胚胎发育早期高密度CpG DNA甲基化被部分擦除，但跨代DNA甲基化区域(DMRs)仍得以保留。精子与卵子的表观遗传因子影响受精卵内的表观遗传表达，并通过胚胎多能干细胞延续，进而影响所有后续体细胞类型，导致细胞特异性表观基因组和转录组，从而影响生命后期的表型变异和疾病易感性。
已有研究显示，亲本起源的等位基因表观遗传信息传递最初出现在印记基因中，使性别特异性等位基因影响印记基因的表达和功能。通过将受影响谱系的雄性个体与野生型雌性个体杂交，以及受影响谱系的雌性个体与野生型雄性个体杂交，可确定后续杂交世代中特定的亲本起源等位基因传递。先前研究表明，祖先暴露于环境毒物会影响后代世代的疾病易感性和生命后期表型变异。这些多代影响通过暴露妊娠期雌性大鼠于人类历史上曾接触的环境毒物而进一步研究，包括农业化合物双对氯苯基三氯乙烷(DDT)、塑料化合物、烃类油污、喷气燃料烃以及除草剂草甘膦和杀菌剂乙烯菌核利(vinclozolin)。这些毒物的线性暴露模式在人类中跨越约四到五代，有可能促进一种非遗传形式的遗传，即表观遗传跨代遗传，但在人类中尚待评估。
当前研究针对一个重要问题：在祖先多次暴露于不同环境毒物后，表观遗传跨代遗传是否以亲本起源特异性的方式传递给后代？为此，研究人员利用先前已建立的动物模型，该模型对F₀代妊娠雌性大鼠（胎儿性腺性别决定期）连续暴露于乙烯菌核利，F₁代暴露于喷气燃料烃(JP8)，F₂代暴露于DDT，随后不进行任何额外暴露，繁育至F₅代作为首个跨代世代（其个体及生殖细胞均未直接接触毒物）。本研究将F₅代与野生型大鼠杂交，分别产生父本杂交谱系(F₆ POC)和母本杂交谱系(F₆ MOC)，以分析亲本起源的跨代遗传对精子表观遗传学（DNA甲基化）和特定疾病（肥胖）的影响。该研究发表在《Epigenetics》。
关键技术方法主要包括：使用Hsd: Sprague Dawley SD大鼠（Harlan品系）构建多代暴露模型（F₀代妊娠期给予乙烯菌核利100 mg/kg腹腔注射，F₁代妊娠期给予JP8 500 mg/kg，F₂代妊娠期给予DDT 25 mg/kg，均于胚胎第8–14天给药），随后不处理繁育至F₅代；将F₅代与野生型杂交产生F₆ POC和MOC；收集1岁龄雄性大鼠附睾尾精子，提取DNA后进行甲基化DNA免疫沉淀测序(MeDIP-Seq)以鉴定DMRs；采用零CpG位点(0 CpG)进行归一化以消除背景效应；使用edgeR和MEDIPS包进行生物信息学分析；通过腹脂沉积、体重和体重指数(BMI)评估肥胖病理学，并采用Fisher精确检验进行统计分析。
研究结果分为以下几个部分：
1. 实验设计与DMR鉴定：F₆ POC和MOC谱系源于F₅跨代代与野生型杂交。与对照F₃代（无暴露）相比，F₆ POC和MOC均检测到大量DMRs，其中POC的DMR数量显著高于MOC。在p<1e-04阈值下，POC有40个多窗口DMRs，MOC有8个。
2. DMR染色体定位与特征：DMRs在基因组上广泛分布，CpG密度主要为1–3 CpG/100 bp（低密度CpG沙漠），DMR长度主要为1 kb，少数达3–4 kb。这些特征在两谱系间相似。
3. DMR重叠比较：F₆ POC与MOC之间共有78个共同DMRs（占MOC的50%以上）。F₆ POC与先前F₅多代暴露谱系有3个共同DMRs，而MOC与F₅无重叠。扩展分析显示，在降低统计严格性(p<0.05)下，POC与MOC的DMR重叠率高达89–97%，但与F₅的重叠率低于15%，表明野生型杂交显著改变了DMR分布。
4. 主成分分析(PCA)：DMR位点的PCA显示F₃对照与F₆ POC或MOC之间良好分离，验证了表观遗传数据的差异。
5. DMR相关基因与通路：POC DMR关联基因涉及代谢、轴突导向、神经退行性变等通路；MOC DMR关联基因涉及代谢、肌萎缩侧索硬化症(ALS)、赖氨酸降解等通路。基因功能类别包括信号转导、细胞骨架、代谢、转录、蛋白酶等。
6. 肥胖病理学验证：雌性F₆ POC肥胖率显著升高（约25%，p<0.001），F₆ MOC也显著升高（约23%，p<0.01）；雄性F₆ POC和MOC肥胖率均显著升高（约26%和31%，p<0.05），但低于F₅代（约35%）。这证实了跨代肥胖表型在F₆杂交谱系中依然存在。
讨论部分：研究结果表明，祖先多次环境毒物暴露可促进表观遗传变化（如DNA甲基化改变）的跨代遗传，这些变化增加未暴露后代的疾病风险。F₆ POC与MOC之间的差异提示跨代表观遗传遗传具有性别特异性，并部分依赖于亲本起源效应。卵母细胞和精子均参与这一表观遗传信息的传递。该发现对全球人类健康具有深远意义，提示遗传或生活方式并非疾病易感性的唯一决定因素，祖先暴露于应激源和毒物可能贡献于当代人类疾病频率的全球性增加。因此，需要进一步讨论我们对未来世代健康的责任，并探索社会如何应对这些新观察。
研究结论：当前研究继续表明，祖先环境暴露可以促进表观遗传变化（如DNA甲基化改变）的表观遗传跨代遗传，这些变化增加了未来未暴露世代的疾病风险。这些结果，特别是F₆ MOC代与F₆ POC代之间的差异，提示跨代表观遗传遗传的影响是性别特异性的，并部分依赖于亲本起源效应。这对全球人类群体的长期健康轨迹具有重要意义，表明遗传或生活方式决定并非疾病易感性的唯一决定因素。祖先暴露于应激源和毒物对当代群体的影响可能促成了后期人类群体疾病频率的总体全球增加。因此，需要进一步讨论我们对未来世代健康的责任，以及社会如何应对这些新观察结果。