叶酸
叶酸是一种重要的水溶性B族维生素，是神经系统发育和维持神经细胞正常功能所必需的营养素，在子代生长发育过程中起重要作用。母亲孕期叶酸缺乏会增加新生儿神经管畸形的发生风险，并增加习惯性流产、早产、认知功能发育差的风险。卫健委建议育龄女性从孕前三个月至孕后三个月补充叶酸400μg/d。
然而，对于备孕期的男性是否需要补充叶酸，以及父亲叶酸缺乏对于子代的影响及其机制仍存在不同观点。之前有动物研究显示，父亲叶酸缺乏可通过改变精子形成过程中的DNA甲基化水平影响精子质量，从而影响子代健康。
该研究假设，改变甲基供体可用性饮食会改变精子和胚胎表观基因组，从而影响胚胎基因的表达和发育。该研究证明了叶酸缺乏饮食改变了精子H3K4me3。精子中H3K4me3改变的子集保留在着床前的胚胎中，并与胚胎基因表达失调相关。利用遗传小鼠模型，在该模型中雄鼠的精子中已存在了改变的H3K4me2/3，发现叶酸缺乏饮食会加剧精子H3K4me3和胚胎基因表达的改变，导致发育缺陷的严重程度增加。这表明，父系H3K4me3可传递到胚胎中，影响基因的表达和发育。进一步表明，表观遗传错误可以积累在精子中，从而导致子代的发育结果恶化。
该研究选择断奶后（3周龄）的野生型（WT）和KDM1A转基因（TG）C57BL/6J雄性小鼠进行喂养，采用缺乏叶酸（FD）和富含叶酸（FS）的饲料进行喂养（KDM1A是在精子形成过程中调控H3K4me2/3水平升高的基因）。经过9-11周饮食暴露后（跨越两个生精期），用FD TG雄鼠与FS WT雄鼠相比，其着床前丢失变异性更高；采用骨骼分析进行深入描述，FD WT和FD TG雄鼠的新生后代发生出生缺陷，包括弯曲的胸骨和未融合的胸骨软骨，不对称的骨头和弯曲的肋骨。其中，FD TG雄鼠的后代出生缺陷最严重，这些严重异常包括颅面缺损、脊椎缺损。该分析表明，父亲叶酸缺乏与后代的出生缺陷相关，且过表达KDM1A与表型缺陷严重程度增加有关。
下一步目标是了解叶酸缺乏饮食暴露的精子H3K4me3改变与子代出生缺陷的相关性。因此，为每个实验组生成高质量的ChIP-seq精子库。研究发现，精子的染色质对原始生殖细胞表观遗传重编码外的叶酸缺乏很敏感，并且FD WT雄鼠精子中H3K4me3增加或减少的区域发生在不同的基因组位点。
为了解FD WT精子H3K4me3改变的饮食影响区域的功能，对这些区域的启动子进行了基因本体富集分析。分析发现，对叶酸缺乏饮食敏感的精子表观基因组区域，包括对发育功能有影响的启动子和增强子，H3K4me3增加的启动子涉及早期着床前和着床后胚胎发生、骨骼重塑和心脏发育的基因中富集，H3K4me3降低的启动子富含破骨细胞增殖、肾脏和耳朵发育以及染色质重塑的基因中富集。
研究发现，与WT和TG雄鼠对比，精子中H3K4me3已发生改变的TG雄鼠在叶酸缺乏饮食暴露环境中会叠加甲基化程度。在胚胎发育的8细胞期，多个染色体重塑途径可能受到父亲叶酸缺乏的影响。父亲H3K4me3可能部分地指导胚胎中的基因表达。总之，该研究显示，精子中组蛋白修饰的非遗传表型与后代的发育密切相关。
Highlights
• 父亲叶酸缺乏改变精子的H3K4me3；
• 精子的H3K4me3改变保留在胚胎中，并与出生缺陷相关；
• 胚胎基因表达失调与精子的H3K4me3改变一致；
• 叶酸缺乏在过表达KDM1A的雄鼠模型中，可提高精子H3K4me3水平和出生缺陷。
参考文献：
Lismer A, Dumeaux V, Lafleur C, et al. Histone H3 lysine 4 trimethylation in sperm is transmitted to the embryo and associated with diet-induced phenotypes in the offspring. Dev Cell, 2021, 56(5): 671-686.相关文章推荐：
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本文作者：闫婧
责任编辑：闫婧，程玉