精子竟会记录父辈所历经的温度!天生吃不胖或许是来自父亲的礼物

科学
精子竟会记录父辈所历经的温度!天生吃不胖或许是来自父亲的礼物
麻省理工科技评论 2018-07-29

2018-07-29

在一个新生命形成之初,来自父母的遗传物质中不仅包含有家族信息,更写满了他们的人生印记。
科学
在一个新生命形成之初,来自父母的遗传物质中不仅包含有家族信息,更写满了他们的人生印记。

遗传信息就像一个密码本,每一条染色体里都写满了生命的秘密。但也许你并不知道知道,它同时也是一个记事本。在一个新生命形成之初,来自父母的遗传物质中不仅包含有家族信息,更写满了他们的人生印记。

近日,来自苏黎世联邦理工学院(Eidgenössische Technische Hochschule Zürich,ETH Zurich)的 Christian Wolfrum 研究团队发现,在交配或受孕前,父亲处于较低温环境的后代相比与父亲处于常温环境的后代,具有更多的棕色脂肪组织。

这些棕色脂肪组织可谓是脂肪界的“劳模”,他们身处组织深处燃烧脂肪,为机体产热。因而具有更多棕色脂肪组织的后代意味着更强的系统代谢能力—吃得多也不怕胖。而在接受同样的高脂饮食后,父系经过低温环境的二代小鼠表现出更强的代谢能力,体重增加的更少,同时体脂水平、甘油三酯水平也更低,对胰岛素也更敏感。

通过进一步动物实验,研究者发现这部分印记是通过表观遗传修饰的形式“写”在精子里的。这是研究者首次发现外界环境温度变化会导致表观遗传的变化,研究的相关细节近期发表在著名期刊 Nature Medicine 上。



脂肪家族


2016 年,全球约有 39% 的成年人被划分为超重人群(BMI>25),约 13% 被认为是病态肥胖(BMI>30),营养过剩就像一朵“幸福”的乌云笼罩在人们头上,肥胖带来的各种并发症成为现代人的一种社会负担。

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在与肥胖的拉锯战中,功能极为特殊又关键的一类内分泌器官就是脂肪组织。脂肪组织是指由大量脂肪细胞聚集的群体,一般来说,脂肪按照结构和功能不同可以分为白(黄)色脂肪组织和棕(褐)色脂肪组织。

白色脂肪组织(white adipose tissue,WAT),即我们通常所称的脂肪组织,是由大量的单泡脂肪细胞组成,因细胞中央有一大脂滴而得名。其主要位于皮下、网膜等位置,被称为是体内最大的“能源库”,具有储存能量、保持体温、参与脂肪代谢以及缓冲保护器官等作用。由于存在的位置不同,可能对健康存在负面影响,包括胰岛素抵抗综合征、代谢综合征及 II 型糖尿病等。

棕色脂肪组织(brown adipose tissue, BAT),又称褐色脂肪组织,其外观呈褐色。这种多泡脂肪细胞内分散有多个小脂滴,线粒体大而丰富,内膜上含有丰富的解偶联蛋白 1(UCP1),主要位于颈部和肩部。在较低的环境温度下,棕色脂肪细胞就像一个“产热器”,分解脂类为机体提供热量。除此之外,棕色脂肪组织还具有调整能量平衡、防止肥胖的功能。棕色脂肪组织在人类的生长发育过程中是一个动态的过程,一般来说,随着年龄增长,人体内的棕色脂肪量会逐渐减少,成人体内的棕色脂肪比例要明显低于婴儿时期。

近年来,随着对棕色脂肪组织研究的深入,研究者又将棕色脂肪细分为两类:典型的棕色脂肪(位于肩胛间区域的,本研究中简称 iBAT)和米色脂肪细胞(嵌入腹股沟的白色脂肪区域的,本研究中简称为 ingWAT)。已有的研究显示,轻微的寒冷可以激活棕色脂肪组织的功能,促使其燃烧热量,帮助减重,因而棕色脂肪组织也被认为是关系人类或啮齿类动物代谢健康的重要角色。

既然棕色脂肪对于人类健康好处多多,那是否有办法让后代拥有更多的棕色脂肪细胞呢?答案是肯定的,操作也很简单—只要选对啪啪啪的季节。



精子里的寒暑表


有的人天生吃不胖,有的人却是喝水都长肉,而这两类人群的分布似乎与受孕时间之间有着千丝万缕的联系。

为了验证猜想,来自苏黎世联邦理工学院的 Christian Wolfrum 教授团队首先比较了 2007-2015 年间来自苏黎世大学医院的 8440 名成年人 FDG-PET/CT 扫描影像,通过分析他们发现,在 10 月-2 月间(即一年中较冷的时间,平均温度约为 2℃)被怀孕的人,相比于在 4 月-9 月(气温较高的时间,平均温度约为 13℃)被怀孕的人,具有更多被激活的棕色脂肪组织。

拥有更多被激活的棕色脂肪组织意味着相比之下,在特定时间内(10 月-2 月)被怀孕的人可能会燃烧更多的热量,这一优势不仅有利于保持苗条的身材,更可以使出生的后代具有更小的代谢疾病风险。

那是否怀孕前所处的环境温度就是这一差异的原因呢?为了验证这一猜想,研究者们选取小鼠作为研究对象,将 23℃设定为较高温度,8℃设定为较低温度,分别使几组小鼠在交配前、交配后或全程处于某一温度下。

研究发现,父母在交配前经历过低温环境的鼠二代,拥有更多被激活的棕色脂肪组织和米色脂肪组织,这意味着温度(寒冷刺激)的确是影响后代棕色脂肪组织或米色脂肪组织活性的重要原因。经过进一步的体外受精试验,研究者发现,这一影响来自父亲。

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同时,即使是接受同样的高脂饮食,父系经过低温环境的二代小鼠表现出更强的代谢能力,体重增加的更少,同时体脂水平、甘油三酯水平也更低,对胰岛素也更敏感。

可是后代是如何从父系的精子中获得父辈的生活经历呢?难不成精子里也刻着寒暑表么?



父系写下的诗


毫无疑问,这一切的秘密都写在精子中,解开谜团首先就要破解遗传信息。既然常规的温度变化并不会导致基因突变,剩下的解释就只有表观遗传学层面上的修饰了。

表观遗传学(epigenetics)又译为表征遗传学、外遗传学以及后遗传学,在生物学和特定的遗传学领域,其研究的是在不改变 DNA 序列的前提下,通过某些机制引起可遗传的基因表达或细胞表现型的变化。

表观遗传现象包括 DNA、RNA 干扰、组蛋白修饰等,其研究内容主要包括两类,一类为基因选择性转录表达的调控,有 DNA 甲基化、基因印记、组蛋白共价修饰和染色质重塑;另一类为基因转录后的调控,包括基因组中非编码 RNA、微小 RNA、反义 RNA、内含子及核糖开关等。

通过进一步对精子甲基化水平的研究,研究者发现父系的冷暴露会对后代棕色脂肪组织的特征蛋白转录表达水平以及精子的表观遗传特征产生影响。多年来,科学家一直认为某些环境因素会对精子的表观遗传模式产生影响,而此次的研究结果则首次证明了环境温度的变化也会导致表观遗传的变化。

棕色脂肪组织能够更好地燃烧能量,为机体产热,从而可以更容易的适应低温环境。“也许正是这一机制使生物免受寒冷的侵袭,而这也是该表观遗传机制在进化中被选择的原因,”Wolfrum 教授解释道。

那是否意味着如果想要一个棕色脂肪组织更多,即身材可能更苗条、代谢更健康的后代,啪啪啪之前最好先让孩子他爸游个冬泳或者冲个凉呢?

“目前给出这样的建议还为时尚早,我们需要更深入的开展人类研究,”Wolfrum 介绍到,“但看起来提前‘冷处理’需要坚持一段时间才能达到表观遗传修饰的作用,只是在冷水里扎个猛或者在冰上躺一会可能并不能奏效。”后续该团队将会对处于不同时间(冬季或夏季)人类精子的表观遗传修饰水平进行研究。

但单纯的遗传因素并不能决定一个人的一生,后天的环境同等重要。拥有更多的棕色脂肪组织只能让子代相比之下具有更高的代谢能力,但最终表现出的表型则需要结合生活、饮食、健康习惯等。

对于男同胞来说,啪啪啪可以愉悦精神,又能消耗卡路里,如今更重要的是,选对了时间或环境条件,甚至还能造福后代,而良好的作息、饮食、生活习惯更可能帮助子孙赢在起跑线上。所以,此刻你所有努力最终都将会写成诗,与美好的希冀和祝愿一起刻在后代的生命中。

最后,要当父亲的各位读者,要不把空调温度调低两度试试?

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