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强悍的生育能力,靠你的精子『生理学』年龄而非『身份证』年龄
来源:网络        作者:佚名        时间:2022-06-22

全世界约有15%的夫妇遭受不孕不育的困扰,这种病症由多种因素引起,其中男性因素占到了所有不孕不育症病因的40%-50%。年龄是人类生育能力强弱的重要决定因素,不孕症的发生率也随着备孕年龄的增加而增加。我们所熟知的年龄特指身份证上显示的年龄,也是细胞生物学年龄的代用指标,但却鲜有人知生理学年龄为何物

 

细胞的生物学年龄不等同于生理学年龄,生命过程中累积的内部(例如遗传)和外部(例如环境、生活习惯)因素均可对生理学年龄造成影响。雄性生殖细胞需要动态表观遗传重编程才能从二倍体精原细胞发展为单倍体精子。据牛津大学研究,人类精原细胞每16天分裂一次,相当于一年分裂23次[1]。因此,在男人的一生中,精原细胞在其生殖生命过程中将经历(以平均寿命为准并从青春期开始算起)约1400次的分裂。在此过程中,将可能会累积基因甲基化错误(基因间与基因区域)。因此,通过DNA甲基化数据来衡量精原细胞的生理学年龄,或可探寻不孕问题的根源

 

精子的生理学年龄能通过测定其DNA的甲基化来进行评估。人体实际年龄和DNA甲基化之间的密切联系,使得生物学年龄成为大多数体细胞的表观遗传时钟指标。精子发生过程中涉及许多表观遗传学调控,表观遗传学改变可能是男性不育的病因之一。DNA甲基化模式是在减数分裂期间建立的,与衰老相关的甲基化错误的积累可能发生在高度增殖和自我更新的精原细胞中,并在精子发生过程中的细胞分化时继续积累。DNA甲基化异常,特别是在印迹位点的DNA甲基化异常,与精液质量差相关。此外,异常的精子DNA甲基化与受精率降低和胚胎发育潜能受损有关。但是,雄性生殖细胞的表观遗传时钟发育不全,在预测生物学年龄和生殖结果的效用方面缺乏临床相关性。

 

可计算的精子生理学年龄
对受孕有什么影响?

2022年5月13日,美国韦恩州立大学妇产科研究团队在Human Reproduction发表题为“Sperm epigenetic clock associates with pregnancy outcomes in the general population”的研究成果(图1)[2]。该研究针对男性精子的生理学年龄(Sperm epigenetic aging,SEA)和伴侣受孕率之间的关系进行了跟踪性研究调查

 

图1 研究成果(图源:Human Reproduction

 

DNA甲基化是最早发现也是研究最广泛的表观修饰,它是指在DNA甲基化转移酶的作用下,将小化学基团(甲基)共价键结合到基因组CpG二核苷酸的胞嘧啶碱基上产生5-甲基胞嘧啶。DNA甲基化主要有以下特点:

 

①遗传性,能在细胞或世代间遗传;

②可逆性的基因表达调节;

③不能用DNA序列变化解释,而遗传内容主要以DNA甲基化或组蛋白翻译后修饰等形式保存。

 

基因组DNA的高度甲基化能引起所在基因转录的抑制。在生物发育过程中,基因组DNA甲基化状态的变化可以调控基因在不同发育时期的特异表达,在机体发育和细胞分化中起着重要的作用。

 

研究人员从2005年到2009年在美国的16个地区招募无不孕症且处于备孕状态的夫妇,收集379位男性精液,并进行长达12个月的回访。男性的平均年龄为31.8±4.8岁,范围为19-50岁,白人男性占81.4%,非吸烟者占78.7%,平均BMI(Body mass index)为29.9±5.7。研究人员通过SEA来比较备孕夫妇在1年内的妊娠成功率,使用离散时间比例风险模型分析调整协变量与妊娠时间(time-to-pregnancy,TTP)的关系,并评估了吸烟对SEA的影响。

 

研究人员应用微珠阵列检测了精液样本,以评估精子DNA甲基化水平,并采用最先进的集成机器学习算法从精子DNA甲基化数据预测SEA。具体而言,根据差异甲基化区域(SEA differentially methylated regions,SEADMR)和个体CpG(SEACpG)估算SEA。将SEA计算为预测年龄对生物年龄的线性回归的残差。SEA的正值被认为是较老的表观遗传衰老表型,而负值代表较年轻的表观遗传衰老表型:SEA<-1为“年轻”;-1<SEA<1为“等效”,SEA>1年为“衰老”。研究结果表明:

 

1、SEACpG准确预测精子生理学年龄方面具有较强能力;

 

2、SEADMR与SEACpG在准确预测精子生理学年龄方面性能相当,但效应有所减弱;

 

3、相比伴侣SEA<1的女性,伴侣SEA>1的女性在12个月内受孕的概率会降低17%,相当于SEACpG每增加1年,TTP就会延长17%;

4、在控制男性BMI和吸烟状况以及女性实足年龄、BMI和吸烟状况后,SEA每增加1年,胎儿就会早产2.13天;

5、吸烟会导致男性精子的生物学年龄更大,吸烟者SEA均显著高于非吸烟者。

 

研究表明男性SEA状况对受孕成功至关重要,精子表观遗传时钟可以作为一种新的生物标志物来预测备孕夫妇的TTP。本项研究的研究对象主要为高加索男性和女性,因此有必要对大型不同队列进行分析,以确认SEA与其他种族/民族中夫妇妊娠成功之间的关联。

 

如何才能让你的
SEA“年轻化”?

表观遗传机制主要包括DNA甲基化、组蛋白修饰以及非编码RNA,它不影响基因的核苷酸序列,但对基因表达产生可遗传的影响,在精子发生和男性生育能力中发挥重要作用。有研究表明,在不改变遗传物质DNA的情况下,父辈甚至可以将某些获得性性状通过表观遗传的方式遗传给下一代。诸如毒物、饮食营养异常或压力等遗传性环境暴露可促进疾病的表观遗传跨代遗传和表型变异。这些环境因素可诱导种系(精子和卵子)的表观遗传重编程。可喜的是表观遗传是可逆的,可以通过表观遗传药物来改变。

 

表观遗传学的独特之处在于:机体的异常可以随着生活方式而改变,进而避免遗传到下一代。随着表观遗传学研究的发展,人们逐渐认识到生活饮食习惯、环境因素等因素都可通过影响DNA甲基化或组蛋白修饰来调控基因表达。为了个人及下一代的健康,男性在备孕过程中更需要调整生活方式,以保持个人SEA的年轻化,避免将不良影响遗传给孩子,那么要怎么调整呢?本文将主要从生活中高频情景进行分析。

1

环境污染不容小觑

 

环境因素改变精子的微小RNA,DNA甲基化或组蛋白修饰,通过受精遗传给后代,调控后代基因表达,影响其表型,从而生物群体在繁衍过程中产生对环境的跨多代响应,并可能形成主动进化模式。研究表明,在成熟男性尿液中检测出的DNA甲基化及去甲基氧化产物与邻苯二甲酸酯化学试剂暴露有关。邻苯二甲酸酯主要应用于聚氯乙烯材料,包括玩具、食品包装材料、胶管、乙烯地板、壁纸、清洁剂和润滑油,个人护理用品如指甲油、头发喷雾剂、香皂和洗发液等数百种产品中。

 

空气质量与温度均可以影响精子浓度及精子数量。空气温度(低温)与精子浓度及总的精子数量成反比;空气湿度对精子的数量和质量没有太大影响;PM 2.5直接影响精子的总量;PM 10直接影响精子的容量及形态,但并不影响精子的浓度和精子活力。

2

生活习惯需要约束

 

 在饮食习惯方面,高脂肪饮食诱导的前期糖尿病会改变小鼠精子的甲基化图谱,在一定程度上传递给后代,使后代出现葡萄糖耐受不良和胰岛素抵抗,从而增加了后代患糖尿病的可能性。在果蝇中研究也发现了对父亲饮食的干预会引发后代染色质状态的改变和隔代遗传肥胖。饮食之外,吸烟、饮酒和熬夜造成的DNA损伤和运动带来的身体益处已是共识,备孕中的男士应尽量约束不良行为,并多多运动。

3

心理状况需要调整

 

在心理方面,如恐惧、情绪、精神创伤、环境压力等环境因素,也会对精子产生表观遗传学影响,并通过遗传影响后代的恐惧行为和糖代谢。因此,备孕中的男士应该放松心情,注意调理心理状况。

4

特殊补剂需要补充

 

锌和叶酸常用于男性不育的联合补充药物,精浆中锌的浓度要比血清中高30倍,叶酸缺乏可改变精子基因组甲基化状态。叶酸参与DNA、RNA和蛋白质等重要物质的合成,它可通过一碳循环代谢途径产生S-腺苷蛋氨酸(S-AdenosvlmeIhionine,SAM),SAM是DNA甲基化过程中主要的甲基供体,在体内参与甲基化反应,因此,叶酸浓度过高或过低都会影响到基因的甲基化。叶酸不但能够为DNA甲基化提供甲基供体,还能帮助清除氧自由基,但叶酸要发挥出最大作用,还需要锌的适当配合

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