精子表觀遺傳修飾及其在胚胎發(fā)育過程中的潛在作用

葛少欽, 趙崢輝, 張雪倩, 郝媛

1. 河北大學(xué)醫(yī)學(xué)部, 保定 071000;

2. 河北大學(xué)生殖醫(yī)學(xué)研究所, 保定 071000

精子表觀遺傳修飾及其在胚胎發(fā)育過程中的潛在作用

葛少欽1,2, 趙崢輝1, 張雪倩1, 郝媛1

1. 河北大學(xué)醫(yī)學(xué)部, 保定 071000;

2. 河北大學(xué)生殖醫(yī)學(xué)研究所, 保定 071000

精子發(fā)生(Spermatogenesis) 是一高度復(fù)雜的過程, 包括有絲分裂、減數(shù)分裂和精子形成。精母細(xì)胞經(jīng)過獨(dú)特而廣泛的染色質(zhì)與表觀遺傳修飾重塑之后, 最終分化產(chǎn)生了具有特定表觀遺傳修飾的精子。最近研究表明,成熟精子中的表觀遺傳修飾在發(fā)育的胚胎中發(fā)揮了重要作用, 其表觀遺傳模式的改變會(huì)導(dǎo)致某些疾病風(fēng)險(xiǎn)提高, 如受精失敗、胚胎發(fā)生機(jī)能障礙、早產(chǎn)、出生體重低、先天畸形、新生兒死亡以及其他在輔助生殖技術(shù)后代中發(fā)現(xiàn)的發(fā)生頻率較高的妊娠相關(guān)并發(fā)癥。文章通過評(píng)價(jià)成熟精子中DNA甲基化、保留組蛋白修飾、RNAs和精蛋白等表觀遺傳修飾的重要意義及其在胚胎發(fā)育過程中的潛在作用, 闡述了成熟精子中改變的表觀遺傳修飾與相關(guān)疾病之間的關(guān)系, 為不育癥的防治、精子表觀遺傳質(zhì)量評(píng)價(jià)以及降低輔助生殖技術(shù)后代表觀遺傳疾病風(fēng)險(xiǎn)等提供基礎(chǔ)資料。

表觀遺傳修飾; 精子; 胚胎發(fā)育; 疾病

表觀遺傳學(xué)(Epigenetics)是研究DNA序列不發(fā)生改變而生物表型和基因表達(dá)模式發(fā)生改變的一門學(xué)科。精子中的表觀遺傳修飾包括DNA甲基化、組蛋白修飾、RNAs和精蛋白等[1,2], 這些表觀遺傳修飾是精子的特征性標(biāo)志物, 對(duì)保證精子的正常形態(tài)和機(jī)能至關(guān)重要。精子的表觀遺傳修飾在受精過程中會(huì)傳遞到卵母細(xì)胞, 對(duì)早期胚胎具有潛在的功能作用[3,4], DNA甲基化、組蛋白修飾、RNAs以及精蛋白等異常會(huì)導(dǎo)致精子機(jī)能降低和胚胎發(fā)育失敗,甚至誘發(fā)后代表觀遺傳疾病的發(fā)生。

1 DNA甲基化

DNA甲基化是一種有效促進(jìn)基因沉默的表觀遺傳修飾。在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNA methyltransferase, Dnmt)催化下, S-腺苷甲硫氨酸提供的甲基基團(tuán)被共價(jià)結(jié)合到CpG二核苷酸胞嘧啶5’碳位上, 使DNA甲基化。CpG成簇富含于基因啟動(dòng)子附近, 稱為“CpG島”, 大多數(shù)甲基化的CpG島位于基因內(nèi)而非基因間區(qū)域[5], 通過與轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合或改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)等有效抑制基因的表達(dá)[6]。

1.1 成熟精子中DNA甲基化

精子DNA甲基化的建立是一個(gè)獨(dú)特的過程, 從原始生殖細(xì)胞(Primordial germ cells, PGCs)至成熟精子的復(fù)雜分化過程中, DNA甲基化呈動(dòng)態(tài)變化。妊娠中期, 原始生殖細(xì)胞向生殖脊移行, 父系DNA的高甲基化修飾被擦除, 其甲基化失去大約 60%[7], 之后在精子發(fā)生的有絲分裂時(shí)期, 精子DNA在Dnmt3a及其輔助因子 Dnmt3L的作用下重新甲基化, 并在后來的減數(shù)分裂和精子形成時(shí)期維持高甲基化狀態(tài)[8]。

然而, 通過基因本體分析發(fā)現(xiàn), 成熟精子中調(diào)控發(fā)育轉(zhuǎn)錄和信號(hào)因子的啟動(dòng)子呈低甲基化狀態(tài),并且與人類胚胎干細(xì)胞自我更新網(wǎng)狀轉(zhuǎn)錄因子綁定的發(fā)育啟動(dòng)子(如 OCT4、SOX2、NANOG、KLF4和 FOXD3蛋白)相一致[9]。高度分化的精子細(xì)胞和具有高度分化潛能的胚胎細(xì)胞, 其啟動(dòng)子區(qū)相似的低甲基化狀態(tài)是否意味著過程和結(jié)果的一致？是否還存在其他的可能機(jī)制？這些尚待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證明。

1.2 胚胎發(fā)育中DNA甲基化

受精后, 父系染色質(zhì)普遍重塑, 伴隨母源組蛋白替換了精子細(xì)胞核中的精蛋白, 父系基因組發(fā)生了主動(dòng)去甲基化, 而母系基因組仍然保持高甲基化狀態(tài), 隨著合子的分裂, 母系DNA甲基化水平逐步降低(圖1)[10]。Ma等[11]通過總結(jié)胚胎發(fā)育早期DNA甲基化的變化規(guī)律, 發(fā)現(xiàn)種植前后, 在從頭甲基化酶作用下, 父系基因組重新甲基化, 這種表觀遺傳重編程為早期胚胎發(fā)育成最初兩種細(xì)胞系(內(nèi)細(xì)胞團(tuán)和滋養(yǎng)外胚層)做了準(zhǔn)備[8]。然而父系基因組發(fā)生DNA甲基化的同時(shí), CpG島仍處于低甲基化狀態(tài),在胚胎發(fā)育早期, RNA聚合酶Ⅱ可以結(jié)合到多數(shù)CpG島上, 募集組蛋白H3K4甲基轉(zhuǎn)移酶, 使H3K4甲基化, 甲基化的H3K4可阻止Dnmt3L與CpG島結(jié)合, 抑制DNA甲基化過程, 從而保持了CpG島的低甲基化狀態(tài)[12]。

1.3 精子中 DNA甲基化異常對(duì)受精后胚胎發(fā)育的影響

精子DNA甲基化主要由Dnmt催化, 胚胎發(fā)育過程中Dnmt1、Dnmt3a和Dnmt3b的失活可阻斷胚胎早期重新甲基化的發(fā)生與維持, 進(jìn)而造成胚胎發(fā)育異常。Kaneda等[13]通過小鼠基因敲除實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Dnmt1-/-小鼠發(fā)育遲緩, 在妊娠中期死亡; Lei等[14]通過突變實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) Dnmt3a-/-小鼠在出生 4周后死亡, Dnmt3b-/-小鼠在出生前死亡。此外, 利用藥物也可以改變精子的甲基化狀態(tài)。Kelly等[15]使用一種DNA甲基化抑制劑 5-脫氧氮-脫氧胞苷處理七周齡的雄性小鼠, 使精子DNA甲基化顯著降低, 然后用這些小鼠和 8周齡未交配的雌性進(jìn)行交配, 發(fā)現(xiàn)妊娠率明顯下降, 并且胚胎著床前的損失率明顯增加。Benchaib等[16]分析了63例精液樣本中精子DNA甲基化狀態(tài), 也發(fā)現(xiàn)精子DNA低甲基化與妊娠結(jié)局密切相關(guān)。

圖1 受精后至囊胚期甲基化水平及組蛋白變化情況[10]圖上部所示為母源組蛋白替換精蛋白的過程; 圖中部所示為受精后至囊胚期受精卵的分裂過程; 圖下部所示為父源核 DNA主動(dòng)去甲基化, 母源核DNA依賴父源核DNA被動(dòng)去甲基化的過程。

Kobayashi等[17,18]研究顯示, 不育男性精子中含有錯(cuò)誤的印記基因, 并且存在甲基化狀態(tài)的改變,甲基化的 DNA能夠保持到受精后乃至整個(gè)早期胚胎中[8], 具有將此缺陷基因遺傳給子代的更高風(fēng)險(xiǎn)。在射出的精子中, 錯(cuò)誤印記發(fā)生在母本甲基化區(qū)域比發(fā)生在父本甲基化區(qū)域更常見, 在幾個(gè)母本甲基化位置如PEG1、KCNQ1OT1、PLAGL1、PEG3和SNRPN的印記錯(cuò)誤可能是印記擦除錯(cuò)誤的結(jié)果。Prader-Willi綜合征病人攜帶錯(cuò)誤印記的染色體總是從祖母那遺傳而來, 證明其發(fā)生了印記擦除錯(cuò)誤[19]。這樣, 患有精子減少癥父親的精子很可能會(huì)攜帶一個(gè)不正確的印記(在KCNQ1OT1和PEG1位置的超甲基化)傳遞給孩子。

2 組蛋白修飾

組蛋白修飾包括甲基化、乙?；?、磷酸化、泛素化、ADP核糖基化等[20,21], 其修飾的最基本作用是調(diào)控基因表達(dá)。組蛋白甲基化多導(dǎo)致基因沉默,去甲基化則相反; 乙?；话闶罐D(zhuǎn)錄激活, 去乙?；瘎t相反[22]。

2.1 精子中組蛋白修飾

在精子發(fā)生有絲分裂、減數(shù)分裂和精子形成過程中, 組蛋白在一系列酶的催化下, 其尾部呈現(xiàn)出甲基化或乙?；揎? 這些組蛋白修飾單獨(dú)或協(xié)同起作用, 促使基因活化或抑制[23]。有絲分裂時(shí)期, 在組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶(Histone acetyltransferase, HAT)催化下, 組蛋白H3、H4呈高度乙?；癄顟B(tài)[24], 乙酰基與組蛋白 H4上的賴氨酸殘基結(jié)合, 中和賴氨酸所帶正電荷, 使染色質(zhì)結(jié)構(gòu)松散, 易于與轉(zhuǎn)錄因子等轉(zhuǎn)錄相關(guān)蛋白結(jié)合[25]; 隨后在組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶(Histone methyltransferase, HMT)作用下, 組蛋白H3K4呈現(xiàn)甲基化狀態(tài), H3K4甲基化可以改變臨近組蛋白甲基化修飾狀態(tài), 二者協(xié)同作用, 共同促進(jìn)基因的轉(zhuǎn)錄。減數(shù)分裂時(shí)期, 在組蛋白去乙?；?Histone deacetylase, HDAC)作用下, 組蛋白H3、H4呈現(xiàn)低乙?；癄顟B(tài), 在組蛋白去甲基化酶(Histone demethylase, HDM)作用下, H3K4呈現(xiàn)低甲基化狀態(tài),隨后在HMT催化下, H3K9和H3K27甲基化, H3K9甲基化阻止RNA聚合酶Ⅱ與染色質(zhì)結(jié)合, H3K27甲基化則阻止RNA聚合酶的前進(jìn), 二者同時(shí)出現(xiàn), 抑制基因的轉(zhuǎn)錄[20,26,27]。精子形成時(shí)期, 組蛋白H4重新被乙?；? 使核小體形成一個(gè)比較寬松的結(jié)構(gòu),易于精蛋白替代組蛋白[28,29]。成熟精子細(xì)胞核保留的組蛋白與核周相連結(jié), 與端粒相結(jié)合[30], 與組蛋白結(jié)合的DNA序列包裝不那樣緊密, 認(rèn)為該序列或基因參與了受精和早期胚胎發(fā)育[31]。

2.2 胚胎中組蛋白修飾

受精后, 精子細(xì)胞核在卵細(xì)胞胞質(zhì)等因素的作用下去凝聚, 核組蛋白發(fā)生重組以解除染色質(zhì)高度壓縮和轉(zhuǎn)錄靜止?fàn)顟B(tài), 從而滿足胚胎發(fā)育的需要。Biermann等[32]研究了受精卵中精子來源染色質(zhì)重組的動(dòng)力學(xué)機(jī)制, 發(fā)現(xiàn)組蛋白H4的8位和12位上乙?；缬诰雍说娜饪s作用。Bui等[33]通過觀察卵胞漿內(nèi)精子注射(Intracytoplasmic sperm injection, ICSI)產(chǎn)生的胚胎發(fā)現(xiàn), 在受精后的 1細(xì)胞期,父源核組蛋白H4K12迅速呈現(xiàn)出高乙?；? 而組蛋白H3K9則呈現(xiàn)出低甲基化水平(圖2)。隨精卵染色質(zhì)融合, 非對(duì)稱性的組蛋白 H3K9甲基化被擦除, 至4細(xì)胞期時(shí), 全基因組組蛋白H3K9又重新甲基化[34]。Bernstein等[35]通過檢測(cè)小鼠 ES細(xì)胞中組蛋白甲基化修飾狀態(tài), 發(fā)現(xiàn)胚胎中保留有活化標(biāo)記區(qū)域的組蛋白甲基化呈二價(jià)修飾狀態(tài), 因?yàn)槟承﹨^(qū)域的單價(jià)組蛋白修飾會(huì)抑制基因活化。這種組蛋白甲基化的二價(jià)修飾可以促進(jìn)胚胎干細(xì)胞的全能性,是細(xì)胞全能性的標(biāo)志。

圖2 胚胎發(fā)育過程中組蛋白修飾及發(fā)展水平[33]A：綠色免疫熒光代表電鏡觀察胚胎 1細(xì)胞時(shí)期組蛋白 H4K12的乙?；? B：綠色熒光代表胚胎4細(xì)胞時(shí)期父源與母源染色質(zhì)組蛋白H3K9甲基化狀態(tài)。

2.3 組蛋白修飾異常導(dǎo)致的疾病

組蛋白尾部甲基化和乙?；揎検蔷影l(fā)生及胚胎發(fā)育過程中基因轉(zhuǎn)錄表觀遺傳調(diào)節(jié)的主要形式。Fenic等[36]應(yīng)用去乙?；敢种苿┨幚硇∈? 使組蛋白乙?；皆龈? 結(jié)果發(fā)現(xiàn)成熟精子的數(shù)量顯著降低, 而且伴有生殖能力的喪失。Glaser等[37]認(rèn)為不同程度生殖能力的降低都含有組蛋白甲基化和乙?；揎棶惓?。精子中組蛋白甲基化修飾異常會(huì)造成精子發(fā)生過程中過渡性蛋白 1和精子中精蛋白1缺乏, 導(dǎo)致不同程度生育能力的喪失[38]。

3 RNA的作用

3.1 精子中的RNA

研究表明, 精子中含有許多特殊的RNAs, 如微小RNAs(miRNAs)和小干擾RNAs(Small interfering RNAs, siRNAs)等[39,40], 通過人類精子原位雜交實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這些 RNAs定位在整個(gè)精子的頭部, 并且是核基質(zhì)的組成成分。

miRNAs包含 18～23個(gè)核苷酸不等, 從發(fā)夾狀雙鏈RNA前體的特定區(qū)域產(chǎn)生, Marcon等[41]研究表明, miRNAs定位于精母細(xì)胞染色體的中心、終端以及XY染色體上, 也存在于支持細(xì)胞核中, 其在物種進(jìn)化過程中具有高度的保守性[42], 有可能參與精子發(fā)生中有絲、減數(shù)及后減數(shù)分裂階段的基因表達(dá)調(diào)節(jié)。miRNA-17-92群和miRNA-290-295群在培養(yǎng)3 d后的新生小鼠精原細(xì)胞中表達(dá)最豐富, 說明在精子發(fā)生過程中這兩種 miRNA群在調(diào)節(jié)精原干細(xì)胞(Spermatogonial stem cells, SSCs)增殖和早期分化過程中起重要作用[43]。siRNAs包含21～28個(gè)核苷酸不等, 源自雙長(zhǎng)鏈 RNA。Oatley等[44,45]研究發(fā)現(xiàn), siRNA可抑制Bcl6b、Ets相關(guān)分子(Erm)及LIM同源框1的轉(zhuǎn)錄, 通過siRNA已經(jīng)明確了這些轉(zhuǎn)錄因子都是體外實(shí)驗(yàn)中 SSCs自我更新所需的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中, siRNA靶向阻斷小鼠雄激素受體導(dǎo)致FGF2的表達(dá)下降, 表明睪丸酮對(duì)FGF2具有調(diào)節(jié)作用[46]。此外, 盡管已經(jīng)從小鼠睪丸中分離得到另一種長(zhǎng)度為 26～31個(gè)核苷酸的新型小分子piRNA(Piwi-interacting RNA), 但其并不存在于小鼠附睪精子中, 表明成熟精子中沒有piRNA[47,48]。

3.2 胚胎中的RNA

在胚胎基因活化早期, 用于蛋白質(zhì)合成的新生RNA對(duì)胚胎發(fā)育至關(guān)重要。Bui等[33]通過對(duì)比斯特蘭小鼠孤雌生殖、孤雄生殖、ICSI、圓形精子注射(Round spermatid injection, ROSI) 4種胚胎中新生RNA的生成量, 闡明新生RNA對(duì)胚胎發(fā)育的影響。2細(xì)胞時(shí)期, 4種胚胎中新生RNA的含量雖然不同,但均達(dá)到了一個(gè)峰值; 2細(xì)胞末期, 孤雄生殖、ICSI、ROSI胚胎產(chǎn)生的新生RNA含量顯著降低, 至4細(xì)胞期時(shí)達(dá)到最低點(diǎn), 但孤雌生殖胚胎中新生RNA的含量則在4細(xì)胞期才開始顯著降低; 4細(xì)胞末期, 各胚胎中的新生RNA開始積累, 新生RNA的含量在8細(xì)胞期以及囊胚期一直緩慢上升(圖3)。在通過ICSI生成合子的 1細(xì)胞期, 新生 RNA的含量開始增多,同時(shí)H4K12也呈現(xiàn)出高乙?；絒33], 這表明新生RNA含量與組蛋白乙?；匠收嚓P(guān), 在其他生殖方式或同一生殖方式的不同細(xì)胞時(shí)期它們是否仍然呈正相關(guān), 尚待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證明。

圖3 胚胎發(fā)育早期新生RNA的相對(duì)強(qiáng)度[33]采用日本濱松市8～10周齡的B6D2F1 (C57BL/6J×DBA/2)斯特蘭小鼠, 在孤雌生殖、ICSI、孤雄生殖、ROSI形成的胚胎中, 14(1細(xì)胞期)、24(2細(xì)胞期)、32(2細(xì)胞末期)、48(4細(xì)胞期)、54(4細(xì)胞末期)、62(8細(xì)胞期)、84(囊胚期) h檢測(cè)新生RNA含量, 分析后制成新生RNA的相對(duì)強(qiáng)度圖。

在ICSI產(chǎn)生的胚胎中, 2細(xì)胞期和4細(xì)胞期新生RNA的定位是不同的。通過激光共焦顯微鏡切片觀察發(fā)現(xiàn), 2細(xì)胞期的新生RNA存在于整個(gè)核仁內(nèi)部,而4細(xì)胞期的新生RNA則在核仁周圍。2細(xì)胞期, 臂間 DNA從核仁的外周解離與前染色質(zhì)中心(Prochromocenters)結(jié)合, 而4細(xì)胞期, 臂間DNA則部分與前染色質(zhì)中心結(jié)合, 因此認(rèn)為這種 2細(xì)胞期到 4細(xì)胞期的改變抑制了新生RNA的生成[49]。

3.3 RNA異常所致疾病

孤雌生殖小鼠的出生表明, 在早期胚胎發(fā)育過程中, 可以沒有父系RNA的參與。然而, 孤雌生殖小鼠的成功率很低(0.3%), 而且出生死亡率高(80%),這說明在雌核生殖胚球中存在一些基因補(bǔ)償表達(dá)的缺失, 導(dǎo)致發(fā)育受阻。假設(shè)精子RNA在染色質(zhì)重新包裝以及維持父系印跡中起巨大作用, 那么孤雌生殖小鼠的低成活率, 可能是雌核生殖胚球中精子RNA的缺失引起的[50,51]。Dicer酶是miRNA成熟過程中的關(guān)鍵酶之一, 機(jī)體內(nèi)編碼 Dicer酶的基因缺失可以導(dǎo)致 miRNA合成障礙, 進(jìn)而影響一系列miRNA參與調(diào)節(jié)的生物進(jìn)程。Maatouk等[52]研究發(fā)現(xiàn), Dicer酶缺陷的老鼠, 其生精小管內(nèi)含有的圓形精子細(xì)胞數(shù)量較少, 甚至還有一些異常的延伸精子細(xì)胞, 這些精子細(xì)胞形態(tài)畸形且運(yùn)動(dòng)力低下, 因而增加了不育癥的發(fā)生率。

4 精蛋白

4.1 精子中的精蛋白

精蛋白是精子的另一種表觀遺傳標(biāo)志物[3], 精子中精蛋白的含量占核蛋白總量的85%～95%, 是精子中最豐富的核蛋白。精子染色質(zhì)中精蛋白-組蛋白的替代, 致使精子染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)重排, 染色質(zhì)壓縮 6～20倍, 這有利于成熟精子的運(yùn)動(dòng)和保護(hù)精子中的DNA免受損傷[53]。對(duì)受精后胚胎的正常發(fā)育至關(guān)重要。

4.2 胚胎中的精蛋白

受精后, 精子染色質(zhì)中的精蛋白被來自卵細(xì)胞乙?；慕M蛋白替代, 完成由精子型向細(xì)胞型轉(zhuǎn)變的過程。Rodman和Nonchev等[54,55]通過不同小鼠實(shí)驗(yàn)研究, 發(fā)現(xiàn)精蛋白去除時(shí)間不等, 最早在精子穿透卵子時(shí)立即發(fā)生, 最晚為受精后8 h。Shimada和Nakazawa等[56,57]通過豬體外受精實(shí)驗(yàn), 確定組蛋白替換精蛋白發(fā)生在受精后2～4 h, 在3 h內(nèi)約80%的精蛋白已經(jīng)去除, 此時(shí)組蛋白開始與DNA結(jié)合, 約在4 h后完成。最近, Jones等[58]通過人類精子-倉鼠卵穿透實(shí)驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)不同受精卵精蛋白去除均在 1 h內(nèi)完成。雖然不同物種受精后組蛋白替換精蛋白的時(shí)間不同, 但許多實(shí)驗(yàn)均表明這個(gè)過程必須在父系DNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄前完成。

4.3 精蛋白異常所致疾病

精蛋白對(duì)于正常精子染色質(zhì)凝聚, 保護(hù)其在運(yùn)輸過程中免受損傷是至關(guān)重要的[59]。人精蛋白 P1和P2的相對(duì)比嚴(yán)密調(diào)控在1:1左右, 生育力正常的男性很少發(fā)生改變, 而在不育男性中 P1/P2的改變則很普遍[60]。P1和 P2含量的改變及比值異?？蓪?dǎo)致精子DNA損傷。Aoki等[61]研究證實(shí), Pl或P2含量降低或P1/P2比率降低患者的精子DNA損傷程度顯著高于P1/P2值正常者或增高者, 因此, P1/P2比率的變化會(huì)導(dǎo)致胚胎質(zhì)量下降。

5 問題與展望

精子表觀遺傳修飾, 如DNA甲基化、組蛋白修飾、RNAs和精蛋白等, 是保證精子細(xì)胞核正常并于卵胞漿內(nèi)觸發(fā)正常胚胎發(fā)育級(jí)聯(lián)事件所必需的[62]。不完全的表觀遺傳修飾若出現(xiàn)在精子發(fā)生和胚胎植入前階段, 會(huì)導(dǎo)致早期流產(chǎn)、胚胎發(fā)育和出生后遺傳表型異常[63]。即使父方輕微或單一的表觀遺傳修飾異常都可能導(dǎo)致后代更為嚴(yán)重的表型缺陷和臨床疾病[64]。DNA甲基化、組蛋白修飾、RNAs和精蛋白等表觀遺傳修飾共同發(fā)揮作用, 確保精子發(fā)生和胚胎發(fā)育正常。共同或任一修飾異常都會(huì)導(dǎo)致受精減少、胚胎發(fā)生障礙以及胚胎植入和妊娠率降低[20,65]。

精子表觀遺傳學(xué)研究有助于理解當(dāng)前男性生育力降低這一復(fù)雜多因素疾病產(chǎn)生的分子機(jī)制和評(píng)價(jià)男性不育疾病的傳代風(fēng)險(xiǎn), 有助于通過控制精子表觀遺傳質(zhì)量來降低ICSI后代表觀遺傳疾病的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)。但值得注意的是, 當(dāng)前大多數(shù)有關(guān)表觀遺傳缺陷的研究是在評(píng)價(jià)一份射出精液的平均水平[2], 而一份正常精液樣本會(huì)包含相當(dāng)數(shù)量形態(tài)異常的精子細(xì)胞、少量不成熟的精子細(xì)胞和不定量的體細(xì)胞,只是在不育患者精液中異常精子細(xì)胞和非精子細(xì)胞的比例會(huì)大幅度增加[53]。對(duì)于同一精液樣本中的不同精子, 一些表觀遺傳修飾因子區(qū)別明顯[66]。這樣,對(duì)一份精液樣本進(jìn)行平均水平的評(píng)價(jià), 精液中相對(duì)正常的精子會(huì)受到影響, 缺陷精子遺傳與表觀遺傳特征則被掩蓋, 如何評(píng)價(jià)用于IVF或ICSI的單個(gè)精子的特異信息是始終困擾基礎(chǔ)和臨床生殖研究專家的難題[67]。

研究評(píng)價(jià)表觀遺傳因子與男性不育或胚胎發(fā)生之間的關(guān)系還處于起步階段, 表觀遺傳修飾異常的臨床影響還有待于更進(jìn)一步研究, 非常有必要用更多的手段來評(píng)價(jià)遺傳和表觀遺傳缺陷的遺傳風(fēng)險(xiǎn),以提供比較安全的不育治療方案。為加強(qiáng)精子表觀遺傳研究的系統(tǒng)性、特異性和臨床應(yīng)用性, 本實(shí)驗(yàn)室與美國猶他大學(xué)Andrology and IVF實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開展了精子形態(tài)分類(WHO標(biāo)準(zhǔn))基礎(chǔ)上的表觀遺傳因子定位定量分布研究, 試圖建立精子表觀遺傳質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn), 確定不同形態(tài)精子表觀遺傳缺陷, 指導(dǎo)ICSI臨床選用高表觀遺傳質(zhì)量的精子, 為不育患者提供輔助生殖技術(shù)治療的合理化建議, 以降低 ICSI后代表觀遺傳疾病風(fēng)險(xiǎn)。

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(責(zé)任編委: 苗龍)

Epigenetic modifications in human spermatozoon and its potential role in embryonic development

Shaoqin Ge1,2, Zhenghui Zhao1, Xueqian Zhang1, Yuan Hao1

1. Hebei University Health Science Center, Baoding 071000, China;
2. The Institute for Reproductive Medicine of Hebei University, Baoding 071000, China

Spermatogenesis is a highly complex process involving mitotic cell division, meiosis and the process of spermiogenesis, during which unique and extensive chromatin and epigenetic modifications are remodeled to bring about specific epigenetic profiles for spermatozoa. Recent studies have shown that epigenetic modifications in mature spermatozoon play an important role in the developing embryo and its alterations in epigenetic patterns may increase the risk for fertilization failure, dysfunction of embryogenesis, preterm birth, low birthweight, congenital anomalies, perinatal mortality, and several other pregnancy-related complications seen at a higher frequency in babies conceived by in vitro fertilization (IVF). In this review, we assess the significance of epigenetic modifications (DNA methylation, histone retention and modification, RNAs and protamine) in mature spermatozoon and its potential role in embryonic development, and elucidate the relationship between altered epigenetic profile and associated diseases, providing basic information for preventing andtreating male infertility, evaluating the epigenetic quality of sperm and reducing the risk of epigenetic diseases with babies conceived by assisted reproductive technology (ART).

epigenetic modifications; sperm; embryonic development; diseases

2014-02-09;

2014-03-27

河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：H2013201259)和河北省2013留學(xué)回國人員科研活動(dòng)項(xiàng)目(編號(hào)：C2013005002)資助

葛少欽, 博士后, 教授, 研究方向：生殖醫(yī)學(xué), 動(dòng)物分子與生化。E-mail: gesq67@sina.com

10.3724/SP.J.1005.2014.0439

時(shí)間: 2014-4-24 9:00:10

URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1913.R.20140424.0900.004.html