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Science:中科院动物所周琪与段恩奎研究组与营养所翟琦巍研究组合作揭示父代饮食影响精子RNA的性状跨代遗传机理

摘要 : 2015年12月31日,《Science》杂志上在线发表中国科学院动物所周琪与段恩奎研究组与中国科学院上海生命科学院营养所翟琦巍研究组合作的一篇研究成果,研究人员在高脂饮食诱导的父代肥胖小鼠模型中,发现一类成熟精子中高度富集的小RNA(tsRNAs)可为一种表观遗传信息的载体,将高脂诱导的父代代谢紊乱表型传递给子代。

 2015年12月31日,《Science》杂志上在线发表中国科学院动物所周琪与段恩奎研究组与中国科学院上海生命科学院营养所翟琦巍研究组合作的一篇研究成果,研究人员在高脂饮食诱导的父代肥胖小鼠模型中,发现一类成熟精子中高度富集的小RNA(tsRNAs)可为一种表观遗传信息的载体,将高脂诱导的父代代谢紊乱表型传递给子代。Science杂志上同时发表了题为Are you inheriting more than genes from your father? 的专题点评.

很多证据表明,上一代在环境压力下产生的某些获得性性状可以“记忆”在配子中并遗传给下一代。随着人类生活环境和生活/饮食习惯的巨大改变,这种获得性遗传形式对人类繁衍及子孙健康具有深远的影响。这种获得性性状的跨代遗传涉及DNA序列之外的表观遗传信息在配子中的存储及传递,而破解这些表观遗传信息是本领域的一个主要挑战。

动物所科学家于2012年在哺乳动物成熟精子中首次发现了一类进化上保守、来源于tRNA5’端序列、且高度富集在30-34nt的新型小RNA--tsRNAs (tRNA-derived small RNAs), 这种tsRNAs可作为一种父源信息在受精时进入卵子 (2012, Cell Res)。随后进一步发现tsRNAs可通过序列上的核酸修饰维持其稳定性,且在机体应激等情况下发生敏感变化 (2014, J Mol Cell Biol),故推测tsRNAs及其RNA修饰可能作为一种表观遗传信息的载体,将环境诱导的获得性性状经配子(精子)传递到子代。

本研究中,研究组通过将高脂饮食诱导的肥胖小鼠的精子总RNA注射进正常的受精卵,发现其出生的子代小鼠在正常饮食下也会出现类似于父代肥胖小鼠的糖代谢紊乱,这提示肥胖小鼠精子RNA中携带有传递父代获得性性状的表观遗传信息。进一步分析发现:父代肥胖小鼠模型中精子tsRNA的表达谱以及RNA修饰谱均发生了显著的变化。通过分离肥胖小鼠精子中的tsRNA 片段并注射到正常受精卵内,发现tsRNA能象总RNA一样诱导子代代谢紊乱,而注射其它片段的精子RNA则不能引发代谢紊乱。这些证据提示精子tsRNAs对介导获得性性状的跨带传递是至关重要的。

进一步检测发现,注射肥胖小鼠精子tsRNA的早期胚胎以及后代小鼠胰岛的转录组发生了明显变化,变化基因集中在代谢通路上;但这些变化与基因CpG岛的DNA甲基化程度并不相关,提示精子tsRNA的作用并非通过调节DNA甲基化来实现。

本研究从精子RNA角度为研究获得性性状的跨代遗传现象开拓了全新的领域,未来关于精子tsRNA及其修饰谱在早期胚胎发育调节中的作用机制将是领域内亟待解决的关键问题。

同时,麻省理工大学医学院研究员Upasna Sharma在题为"Biogenesis and function of tRNA fragments during sperm maturation and fertilization in mammals"的同类研究中对进食某种低蛋白(LP)饮食小鼠的精子是否会发生任何RNA浓度的改变进行了检测。研究人员证明,来自睾丸未成熟精子的小RNAs与饮食作用没有相关性,然而,对附睾中成熟精子内的小RNA进行测序则揭示了某些RNAs的向上调控。该团队接着在LP小鼠和对照小鼠精子内进行RNA分离,他们发现在LP组中某种RNA的浓度特别高;这种RNA是tRNA-Gly-GCC。进一步的分析显示,tRNA-Gly-GCC会抑制某个基因亚组,其中包括反转录单元MERVL。这些结果连同Chen等人的结果展示了精子内的RNA是如何受到饮食影响及它是如何引起后代基因调控改变并与代谢障碍相关的。

图:父亲的后天饮食可通过改变精子RNA影响后代健康

原文链接:

Sperm tsRNAs contribute to intergenerational inheritance of an acquiredmetabolic disorder

原文摘要:

Increasing evidence indicates that offspring metabolic disorders can result from the father’s diet, but the mechanism remains unclear. Here, in a paternal high-fat diet (HFD) mouse model, we show that a subset ofsperm tRNA-derived small RNAs (tsRNAs), mainly from 5′ tRNA halves and ranging in size from 30 to 34 nucleotides, exhibit changes in expression profiles and RNA modifications. Injection of sperm tsRNA fractions from HFD male into normal zygotes generated metabolic disorders in the F1 offspring and altered gene expression of metabolic pathways in early embryos and islets of F1 offspring, which was unrelated to DNA methylation at CpG-enriched regions. Hence, sperm tsRNAs represent a type of paternal epigenetic factor that may mediate intergenerational inheritance of diet-induced metabolic disorder.

来源: Science 浏览次数:2

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