單細胞甲基化多組學分析揭示哺乳期母體低蛋白飲食對子代的跨代傳遞
環(huán)境因素如飲食和生活方式，可以影響哺乳期母體及其子代的健康，但其跨代傳遞及潛在機制尚不清楚。研究表明，父母的飲食模式和生活方式可以影響子代的健康；同時大量研究表明孕產(chǎn)婦營養(yǎng)狀況與子代健康之間存在相關性。母乳中的生物活性物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)支持嬰兒的免疫發(fā)育和身體生長。而母體蛋白質(zhì)營養(yǎng)不良、西方飲食、高纖維未加工飲食、高糖飲食和低纖維飲食等已被證明可以影響子代表型，這與健康和疾病發(fā)育起源（DOHaD）的假設一致。盡管親本飲食對子代的影響已被廣泛研究，但其潛在機制和跨代傳遞知之甚少。
DNA甲基化在生殖細胞特異性、成熟和早期發(fā)育中起著至關重要的作用。在雌性生殖細胞中，DNA甲基化發(fā)生在出生后，并持續(xù)到青春期，且DNA甲基化可以在哺乳動物中跨代傳遞。DNA甲基化易受環(huán)境因素影響，父體低蛋白飲食可以誘導精子DNA低甲基化，而子宮內(nèi)營養(yǎng)不良則擾亂卵母細胞和精子甲基化。母體高脂飲食影響卵母細胞DNA甲基化，產(chǎn)前饑荒也會影響與生長和代謝疾病相關基因的DNA甲基化狀態(tài)。但目前尚不清楚哺乳期母體飲食如何影響子代健康。
近日，中國科學院動物研究所顧林艦博士為第一作者、廣東省第二人民醫(yī)院孫青原教授為通訊作者在《Journal of Genetics and Genomics》（JGG）期刊發(fā)表題為“The transgenerational effects of maternal low-protein diet during lactation on offspring“的研究成果，該研究使用母體哺乳期低蛋白飲食（LPD）的小鼠模型，研究LPD飲食如何通過卵母細胞的DNA甲基化變化及其基因調(diào)控等表觀遺傳影響子代的生存、生長、繁殖能力以及代謝健康，并探討其跨代傳遞的潛在機制。
標題：The transgenerational effects of maternal low-protein diet during lactation on offspring（哺乳期母體低蛋白飲食對子代的影響）
期刊：《Journal of Genetics and Genomics》（JGG）
影響因子： IF 6.6
技術平臺：scRRBS、scRNA-seq（Smart-Seq2）、16s等
本研究利用母體哺乳期低蛋白飲食（LPD）小鼠模型，展示了母體LPD在哺乳期會導致存活率下降和生長遲緩，顯著減少排卵和窩仔大小，并改變雌性LPD子代的新陳代謝、腸道微生物組和卵母細胞轉錄組。LPD-F1中期II（MII）卵母細胞轉錄組測序分析結果表明，差異表達基因在女性妊娠和多個代謝過程中富集。母體LPD導致早期生長遲緩并損害代謝健康，這些影響可以傳遞超過兩代。研究還利用采用單細胞簡化基因組亞硫酸鹽測序 （scRRBS）來分析LPD和LPD-F1卵母細胞甲基化模式變化部分可以傳遞給F2卵母細胞，闡明哺乳期間母體營養(yǎng)如何影響子代的生殖細胞 DNA 甲基化，從而探索跨代傳遞機制�？傊�，本研究結果揭示了LPD在哺乳期通過卵母細胞表觀遺傳變化跨代傳遞影響子代健康。
研究方法：
本研究使用母體哺乳期低蛋白飲食（LPD）小鼠模型，研究哺乳期母體LPD對子代發(fā)育和代謝的影響。研究中，LPD-F0雌鼠在哺乳期間體重低于對照飲食（CD）-F0。通過檢測F1和F2代小鼠的體重變化、繁殖能力、葡萄糖耐量和胰島素耐量，以及對F1代成年雌性卵母細胞進行單細胞RNA測序（scRNA-seq）和單細胞簡化基因組重亞硫酸鹽測序（scRRBS）分析，研究母體LPD對卵母細胞轉錄組和甲基化模式的影響。
研究結果
研究發(fā)現(xiàn)，母體LPD在哺乳期會導致F1代和F2代子代生長遲緩、存活率降低和繁殖能力下降。F1代雌性子代的窩仔數(shù)減少，自然排卵數(shù)量減少。F2代雖然出生體重正常，但在早期體重增長緩慢。此外，母體LPD還導致子代代謝健康受損，這種影響在兩代中都有所體現(xiàn)。F1代卵母細胞的甲基化模式發(fā)生顯著變化，這些變化部分可以傳遞給F2代卵母細胞。研究表明，哺乳期母體LPD通過卵母細胞的表觀遺傳變化，對子代健康產(chǎn)生跨代傳遞。這些發(fā)現(xiàn)揭示了母體飲食與子代健康之間的潛在分子聯(lián)系，并為進一步研究提供了新的視角。
（1）哺乳期的母體低蛋白飲食影響子代健康。
圖1：哺乳期母體低蛋白飲食（LPD）影響子代的發(fā)育和繁殖。
A：實驗設計。
B：斷奶時CD-F1或LPD-F1的存活率。
C：F1雌性子代的體重軌跡（n CD_F1=13, n LPD_F1=12）。
D：F1子代的窩仔大小。
E：F1子代的自然排卵。
F：F2子代的出生體重。
G：F2雌性子代的體重軌跡（n CD_F2=12, n LPD_F2=10）。
H：F2子代的窩仔大小。
I：F3子代的出生體重。
（2）哺乳期母體低蛋白飲食（LPD）導致子代葡萄糖代謝紊亂
圖2：10周和20周齡LPD-F1和LPD-F2雌性子代的葡萄糖耐量試驗（GTT）和胰島素耐量試驗（ITT）。
（3）成年雌性F1子代的腸道微生物組變化。
圖3：成年LPD-F1子代（12周齡，n=8）的糞便微生物組變化。
（4）LPD-F1卵母細胞中的全基因組高甲基化。
圖5：LPD-F1卵母細胞中的差異甲基化區(qū)域（DMRs）分析。
A：LPD-F1卵母細胞中低甲基化和高甲基化DMRs比例。
B：DMRs在不同染色體上的分布。
C：餅圖顯示不同基因組區(qū)域中DMRs的分布。
D-E：啟動子區(qū)高甲基化基因（D）和低甲基化基因（E）的GO分析。
F-H：維恩圖表示不同甲基化基因與差異表達基因（DEGs，F(xiàn)）、高甲基化基因與下調(diào)基因（G）以及低甲基化基因與上調(diào)基因（H）之間的重疊。
DMRs，差異甲基化區(qū)域；GO，基因本體論；CGI，CpG島；LINEs，長散在核元件；LTRs，長末端重復序列；SINEs，短散在核元件。
（5）F1代卵母細胞中變化的DNA甲基化部分傳遞給F2代卵母細胞。
圖6：LPD-F2卵母細胞中的差異甲基化區(qū)域（DMRs）分析。
A：LPD-F2卵母細胞中低甲基化和高甲基化DMRs比例。
B：DMRs在不同染色體上的分布。
C：餅圖顯示不同基因組區(qū)域中DMRs分布。
D：維恩圖展示LPD-F1高甲基化基因與LPD-F2高甲基化基因的重疊。
E：維恩圖展示LPD-F1低甲基化基因與LPD-F2低甲基化基因的重疊。
F：LPD-F1與LPD-F2之間重疊高甲基化基因的GO分析。
參考文獻：
Gu LJ, Li L, Li QN, Xu K, Yue W, Qiao JY, Meng TG, Dong MZ, Lei WL, Guo JN, Wang ZB, Sun QY. The transgenerational effects of maternal low-protein diet during lactation on offspring. J Genet Genomics. 2024 Apr 22. pii: S1673-8527(24)00079-1. doi: 10.1016/j.jgg.2024.04.008. PubMed PMID: 38657948.
DNA甲基化在生殖細胞特異性、成熟和早期發(fā)育中起著至關重要的作用。在雌性生殖細胞中，DNA甲基化發(fā)生在出生后，并持續(xù)到青春期，且DNA甲基化可以在哺乳動物中跨代傳遞。DNA甲基化易受環(huán)境因素影響，父體低蛋白飲食可以誘導精子DNA低甲基化，而子宮內(nèi)營養(yǎng)不良則擾亂卵母細胞和精子甲基化。母體高脂飲食影響卵母細胞DNA甲基化，產(chǎn)前饑荒也會影響與生長和代謝疾病相關基因的DNA甲基化狀態(tài)。但目前尚不清楚哺乳期母體飲食如何影響子代健康。
近日，中國科學院動物研究所顧林艦博士為第一作者、廣東省第二人民醫(yī)院孫青原教授為通訊作者在《Journal of Genetics and Genomics》（JGG）期刊發(fā)表題為“The transgenerational effects of maternal low-protein diet during lactation on offspring“的研究成果，該研究使用母體哺乳期低蛋白飲食（LPD）的小鼠模型，研究LPD飲食如何通過卵母細胞的DNA甲基化變化及其基因調(diào)控等表觀遺傳影響子代的生存、生長、繁殖能力以及代謝健康，并探討其跨代傳遞的潛在機制。
標題：The transgenerational effects of maternal low-protein diet during lactation on offspring（哺乳期母體低蛋白飲食對子代的影響）
期刊：《Journal of Genetics and Genomics》（JGG）
影響因子： IF 6.6
技術平臺：scRRBS、scRNA-seq（Smart-Seq2）、16s等
本研究利用母體哺乳期低蛋白飲食（LPD）小鼠模型，展示了母體LPD在哺乳期會導致存活率下降和生長遲緩，顯著減少排卵和窩仔大小，并改變雌性LPD子代的新陳代謝、腸道微生物組和卵母細胞轉錄組。LPD-F1中期II（MII）卵母細胞轉錄組測序分析結果表明，差異表達基因在女性妊娠和多個代謝過程中富集。母體LPD導致早期生長遲緩并損害代謝健康，這些影響可以傳遞超過兩代。研究還利用采用單細胞簡化基因組亞硫酸鹽測序 （scRRBS）來分析LPD和LPD-F1卵母細胞甲基化模式變化部分可以傳遞給F2卵母細胞，闡明哺乳期間母體營養(yǎng)如何影響子代的生殖細胞 DNA 甲基化，從而探索跨代傳遞機制�？傊�，本研究結果揭示了LPD在哺乳期通過卵母細胞表觀遺傳變化跨代傳遞影響子代健康。
研究方法：
本研究使用母體哺乳期低蛋白飲食（LPD）小鼠模型，研究哺乳期母體LPD對子代發(fā)育和代謝的影響。研究中，LPD-F0雌鼠在哺乳期間體重低于對照飲食（CD）-F0。通過檢測F1和F2代小鼠的體重變化、繁殖能力、葡萄糖耐量和胰島素耐量，以及對F1代成年雌性卵母細胞進行單細胞RNA測序（scRNA-seq）和單細胞簡化基因組重亞硫酸鹽測序（scRRBS）分析，研究母體LPD對卵母細胞轉錄組和甲基化模式的影響。
研究結果
研究發(fā)現(xiàn)，母體LPD在哺乳期會導致F1代和F2代子代生長遲緩、存活率降低和繁殖能力下降。F1代雌性子代的窩仔數(shù)減少，自然排卵數(shù)量減少。F2代雖然出生體重正常，但在早期體重增長緩慢。此外，母體LPD還導致子代代謝健康受損，這種影響在兩代中都有所體現(xiàn)。F1代卵母細胞的甲基化模式發(fā)生顯著變化，這些變化部分可以傳遞給F2代卵母細胞。研究表明，哺乳期母體LPD通過卵母細胞的表觀遺傳變化，對子代健康產(chǎn)生跨代傳遞。這些發(fā)現(xiàn)揭示了母體飲食與子代健康之間的潛在分子聯(lián)系，并為進一步研究提供了新的視角。
（1）哺乳期的母體低蛋白飲食影響子代健康。
圖1：哺乳期母體低蛋白飲食（LPD）影響子代的發(fā)育和繁殖。
B：斷奶時CD-F1或LPD-F1的存活率。
C：F1雌性子代的體重軌跡（n CD_F1=13, n LPD_F1=12）。
D：F1子代的窩仔大小。
E：F1子代的自然排卵。
F：F2子代的出生體重。
G：F2雌性子代的體重軌跡（n CD_F2=12, n LPD_F2=10）。
H：F2子代的窩仔大小。
I：F3子代的出生體重。
（2）哺乳期母體低蛋白飲食（LPD）導致子代葡萄糖代謝紊亂
圖2：10周和20周齡LPD-F1和LPD-F2雌性子代的葡萄糖耐量試驗（GTT）和胰島素耐量試驗（ITT）。
（3）成年雌性F1子代的腸道微生物組變化。
圖3：成年LPD-F1子代（12周齡，n=8）的糞便微生物組變化。
（4）LPD-F1卵母細胞中的全基因組高甲基化。
圖4：LPD-F1卵母細胞中的整體DNA高甲基化
圖5：LPD-F1卵母細胞中的差異甲基化區(qū)域（DMRs）分析。
B：DMRs在不同染色體上的分布。
C：餅圖顯示不同基因組區(qū)域中DMRs的分布。
D-E：啟動子區(qū)高甲基化基因（D）和低甲基化基因（E）的GO分析。
F-H：維恩圖表示不同甲基化基因與差異表達基因（DEGs，F(xiàn)）、高甲基化基因與下調(diào)基因（G）以及低甲基化基因與上調(diào)基因（H）之間的重疊。
DMRs，差異甲基化區(qū)域；GO，基因本體論；CGI，CpG島；LINEs，長散在核元件；LTRs，長末端重復序列；SINEs，短散在核元件。
（5）F1代卵母細胞中變化的DNA甲基化部分傳遞給F2代卵母細胞。
圖6：LPD-F2卵母細胞中的差異甲基化區(qū)域（DMRs）分析。
B：DMRs在不同染色體上的分布。
C：餅圖顯示不同基因組區(qū)域中DMRs分布。
D：維恩圖展示LPD-F1高甲基化基因與LPD-F2高甲基化基因的重疊。
E：維恩圖展示LPD-F1低甲基化基因與LPD-F2低甲基化基因的重疊。
F：LPD-F1與LPD-F2之間重疊高甲基化基因的GO分析。
參考文獻：
Gu LJ, Li L, Li QN, Xu K, Yue W, Qiao JY, Meng TG, Dong MZ, Lei WL, Guo JN, Wang ZB, Sun QY. The transgenerational effects of maternal low-protein diet during lactation on offspring. J Genet Genomics. 2024 Apr 22. pii: S1673-8527(24)00079-1. doi: 10.1016/j.jgg.2024.04.008. PubMed PMID: 38657948.
標簽：
DNA甲基化
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