贺斌,赵茹茜

(南京农业大学农业农村部动物生理生化重点实验室,江苏 南京 210095)

畜牧业是农业和农村经济的重要组成部分,关系到粮食安全、食品安全、节能减排、劳动力就业、国际贸易等国民经济的各个方面,是引领中国农业现代化和可持续发展的基础性和战略性产业。然而,我国畜牧业存在生产效率低下、种质资源优良性状退化、畜禽疫病频发等瓶颈问题。从生物学角度来看,畜禽养殖实质上是以“人工选择”代替“自然选择”的过程。

“中心法则”是20世纪遗传学的主流观点,其认为生物的所有性状均由DNA序列决定。而“获得性遗传”理论则认为,在应对环境改变时,生物的生理和行为会发生改变,并能将这种变化传递给后代。1990年,Barker等[1]首次提出代谢程序化(metabolic programming)假说,认为在不利于胚胎生长的环境下,机体优先保证关键器官的生长,并代偿性延缓其他器官的发育,从而改变原有的代谢模式,引发能量摄入、储存、利用等一系列代谢变化,最终导致成年代谢性疾病的发生。1998年,Lucas等[2]提出营养程序化(nutritional programming)的概念,即在发育的关键时期或敏感期,营养限制或营养吸收障碍会引起关键组织器官功能的永久性改变,对机体代谢产生程序化的影响,即使后期消除应激因素其影响也依然存在。目前,代谢程序化泛指在生命发育的关键期或敏感期(从亲代配子形成期到后代个体发育期)受到各种刺激或损伤,会导致机体组织或器官的功能发生长期或永久性的改变。

本文综述了动物获得性遗传和亲子信息传递及其机制的最新研究进展,以期在畜禽发育的关键窗口期,采取适当的调控措施,实现对关键功能基因的靶向调控,加速畜禽品种改良的过程,目的是不断提升和强化畜禽的生产性能,为人类提供安全、高效和优质的畜禽产品。

1 获得性遗传概述

1.1 获得性遗传

获得性遗传(inheritance of acquired characteristics)是“后天获得性遗传”的简称,指生物个体受外界环境的影响,产生适应性的性状变化并能够遗传给后代的现象[3]。1809年,法国生物学家拉马克在《动物哲学》中系统阐述了这种进化理论。他强调外界环境条件是生物发生变异的主要原因,对生物进化有巨大的推进作用。但由于当时分子生物学、基因组学等知识的匮乏,该观点饱受质疑。近年来,随着表观遗传学(epigenetics)的迅速发展,人们发现在许多物种中都存在后天获得的性状可跨代遗传的现象。越来越多的证据表明,上一代的某些后天获得的性状(如慢性应激、药物暴露或营养不良导致的代谢性疾病)能通过改变生殖细胞的表观遗传信息对下一代的表型产生深远的影响,从而使获得性遗传学说重新获得了主流学术界的高度关注,并被认为是表观遗传学领域最有意义、也最具挑战的研究方向之一。

1.2 表观遗传

表观遗传是指DNA序列不发生变化,但基因表达却发生了可遗传的改变。这是因为细胞内DNA序列之外的其他可遗传物质发生了改变,且这种改变在个体发育和细胞增殖过程中能稳定传递。目前已知的表观遗传机制主要涉及DNA 甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA、染色质重塑等。表观遗传信息是动态变化的,具有细胞特异性,并受环境影响。表观遗传机制主要在转录水平调控基因表达,而非编码RNA以及RNA 表观遗传修饰,如真核细胞mRNA中最常见的N6-甲基腺苷(m6A)修饰,则可在转录、转录后和翻译等不同水平调控基因表达。

生物受其生存环境的影响,可通过表观遗传的方式获得新性状,以适应环境的变化。对胎生动物而言,在发育的关键窗口期,包括配子发育、交配受精、妊娠和哺乳期,亲代可通过配子(卵子和精子)、胎盘、母乳以及微生物等途径将体内外环境变化的信息传递给子代,通过表观遗传学机制改变子代的性状。

2 母子信息传递及其机制

母亲在生殖过程中扮演重要角色。雌性哺乳动物的生殖包括卵子的产生、受精、妊娠、分娩及哺乳等过程。所有这些生物学过程均可介导获得性遗传,通过卵母细胞、妊娠期子宫内环境、胎盘、母乳、母性行为以及微生物等,对后代的表型产生深远甚至可遗传的影响。

2.1 卵母细胞介导的母子信息传递

卵母细胞(oocyte)是雌性动物生殖过程的执行者。在受精过程中,卵母细胞不仅提供一半的细胞核DNA,而且还提供受精卵发育所必需的母源mRNA、非编码RNA、蛋白质、细胞器等胞质组分,这些组分在卵母细胞介导的母子信息传递中起着重要的作用。

许多研究表明,母体肥胖会通过改变卵母细胞的表观遗传修饰引起子代的发育障碍、肥胖和代谢紊乱。比如,将交配前5个月过量饲喂母绵羊的胚胎移植到正常饲喂的母绵羊子宫内,产下的雌性后代4月龄时的体脂含量显著高于正常饲喂绵羊的后代[4]。在高脂饲养的雌性肥胖小鼠模型上,母源肥胖使卵子中Stella蛋白含量显著减少,受精卵母源性5-羟甲基胞嘧啶修饰(5hmC)和DNA损伤增加,5-甲基胞嘧啶修饰(5mC)减少,导致胚胎发育迟缓与阻滞[5]。此外,母鼠肥胖导致子代胚胎母源等位基因表达的长非编码RNA——脱碘酶3反义RNA(Dio3os)基因启动子的甲基化水平异常升高,导致小鼠三碘甲状腺原氨酸(T3)缺乏和棕色脂肪发育受阻[6]。在猕猴上研究发现,母猴高糖[7]或酒精[8]摄入会导致卵母细胞和卵丘颗粒细胞以及早期囊胚基因表达模式发生改变,卵母细胞体外成熟受阻,囊胚形成率下降,流产发生率提高。

锌是卵母细胞完成减数分裂和激活胚胎发育所必需的[9-10]。使用锌螯合剂N,N,N′,N′-四-(2-吡啶基甲基)乙二胺(N,N,N′,N′-tetrakis(2-pyridylmethyl)ethylenediamine,TPEN)处理体外培养的卵母细胞导致未成熟的生发泡破裂(germinal vesicle breakdown,GVBD)并伴随相应的纺锤体缺陷。饲喂缺锌日粮 10 d 的雌鼠停止排卵,卵丘扩展严重受阻。饲喂缺锌日粮3 d的雌鼠尽管没有停止排卵,但停滞在黄体化卵泡中的卵母细胞数目增加,排出的卵母细胞中有23%由于纺锤体缺陷不能正常发育进入第二次减数分裂中期[11]。进一步研究发现,交配前饲喂3～5 d缺锌日粮的雌鼠,卵母细胞体外受精率下降,早期胚胎发育受阻,伴随卵母细胞DNA 5mC和组蛋白H3第4位赖氨酸三甲基化(H3K4me3)水平显著降低[12]。

除了卵母细胞的细胞核携带遗传信息之外,线粒体也拥有自身的遗传物质——线粒体DNA(mtDNA)。绝大多数动物的线粒体是通过母系遗传的,即受精卵只保留卵母细胞来源的mtDNA。因此,子代细胞mtDNA序列和母亲一致。mtDNA 的突变和线粒体功能异常,均会导致一系列线粒体相关疾病,影响子代个体的表型[13-14]。母体的营养状况会作用于卵母细胞内的线粒体而对子代产生持久的影响。随着对卵母细胞线粒体研究的不断深入,发现卵母细胞线粒体是介导母子信息传递的主要途径之一[15]。饲喂高脂日粮的ICR雌鼠卵母细胞线粒体形态发生显著改变,包括线粒体肿胀、结构紊乱、基质电子密度降低、mtDNA拷贝数增加等[16]。母鼠饲喂高脂高糖日粮导致子代雌鼠胰岛素抵抗,并且F1代雌鼠卵母细胞中的线粒体功能也发生障碍、线粒体的动力学平衡被打破,这种现象甚至持续出现在F2和F3代雌鼠的卵母细胞中[17]。以上结果说明,母体因日粮造成的代谢紊乱可通过卵母细胞中的线粒体实现跨代传递。

2.2 子宫内环境和胎盘介导的母子信息传递

胚胎发育由一套复杂的、相互依赖的且精确整合的生物学程序所控制。母体的营养和环境因素可干扰或修改这套程序的执行,从而对子代产生深远的影响。有学者提出了人类疾病起源的假说——“健康与疾病的发育起源(developmental origins of health and disease,DOHaD)”[18]。该假说认为,不良的子宫内环境可导致发育敏感期胎儿器官的结构和功能发生永久性改变,从而显著增加子代对各种慢性疾病的易感性,这些慢性病包括代谢综合征、脂肪肝、抑郁症等[18]。在胚胎发育的不同阶段,不良的子宫内环境均可导致胚胎发育程序的改变[19]。

胚胎着床前,营养物质、氧含量以及激素水平的变化会直接影响囊胚的发育和细胞的谱系分化,对子代发育过程产生重大影响[20-22]。在胚胎发育起初的3 d内,蛋白摄入量不足会抑制细胞增殖,并改变胚泡中细胞谱系分化的平衡[23]。母体炎症会影响输卵管和子宫的微环境,从而改变胚胎的细胞分裂速率和代谢模式[24]。雌鼠妊娠第1天给予一次性细菌脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)处理诱发炎症反应,导致新生仔鼠体脂含量升高,探索行为减少,成年后对LPS刺激的敏感性减弱[25],表明感染甚至非感染性的母亲炎症可改变子代免疫系统的发育。此外,妊娠期营养不良还可影响胚胎植入及胎盘的发育和营养转运能力[26],导致子代出生后体重增加过快,并发高血压及焦虑行为[23]。

胚胎着床后,胚胎通过胎盘与母体进行物质和信息交换。胎盘由胎儿的胎膜和母体的子宫内膜共同构成。母体的营养、代谢和内分泌状态会影响胎盘的结构和功能,从而直接影响胎儿子宫内环境,干扰胎儿的发育程序[27]。胎盘的大小与营养物质转运的效率直接影响胎儿的发育和出生后的生长[28-31]。给妊娠期母鼠饲喂低蛋白日粮,导致胎盘重减轻,胎盘营养物质转运效率降低;胎儿子宫内发育受阻[32-34]。母体蛋白质缺乏会抑制胎盘胰岛素的分泌和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)、信号转导与转录激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3,STAT3)信号通路的激活,导致胎盘氨基酸转运蛋白活力下降,胎儿发育受阻,出生体重降低[35]。妊娠期大鼠能量限制也会导致胎盘重降低,胎儿发育迟缓[29]。在母体禁食和营养不良导致短期低血糖时,胎盘能够减少自身葡萄糖消耗,以保证子宫、胎盘和胎儿的葡萄糖供应不受影响[36]。但是,随着母体低血糖持续时间的延长,胎盘不得不与胎儿竞争葡萄糖,胎儿的葡萄糖供应相对减少[37]。以上研究表明,母体妊娠期营养限制会影响胎盘的功能,导致胎儿子宫内生长受限,并引起子代成年后生理稳态的改变。

糖皮质激素(glucocorticoid,GC)在母子信息传递中发挥关键作用。GC对胎儿有双重作用,既可以促进细胞分化,也可以抑制细胞增殖[38]。大量研究证实,胎儿暴露于过高的GC是出生体重低,成年后发生糖代谢异常和心血管功能异常等代谢疾病的主要原因[39-40]。妊娠期应激可提高母体GC水平,降低胎盘和胎儿体重,提高子代成年后代谢综合征的发病率[41]。脂溶性的GC可自由透过胎盘屏障,但正常胎儿GC的生理浓度远低于母体,这是因为母体和胚胎之间存在胎盘GC屏障。胎盘GC屏障包括11β-羟类固醇脱氢酶2(11β-hydroxysteroid dehydrogenase type 2,11β-HSD2)和P-糖蛋白。11β-HSD2将母体有活性的皮质醇脱氢转化为没有活性形式的可的松(cortisone)[42-43],从而避免母源性生物活性的GC过多进入胎儿体内,从而维持胎儿的正常发育[44]。但这一屏障并不是绝对的,部分母源性GC仍可以通过胎盘到达胎儿体内。因此,母体应激会增加胎儿的GC暴露[45]。胎盘11β-HSD2的表达和活性降低使更多有生物活性的GC跨越胎盘屏障,导致胎儿暴露在过高的母源GC中,从而抑制胎儿的生长[44]。大鼠妊娠期胎盘11β-HSD2活性的抑制导致胎儿出生体重降低,成年后高血压和葡萄糖不耐受发病率提高[42,46-47],同时丘脑-垂体-肾上腺(hypothalamic-pituitary-adrenal,HPA)轴功能异常活化,表现各种焦虑相关的行为[48]。本实验室研究发现,低氨基酸降低胎盘绒毛膜上皮细胞瘦素(leptin)的分泌,并通过JAK-STAT和MAPK通路抑制11β-HSD2的活性[49]。

母体应激及营养不良可通过中枢与外周糖皮质激素受体(glucocorticoid receptor,GR)介导的信号通路影响子代的行为、生长代谢与繁殖功能。一方面,中枢神经系统(如海马和下丘脑)的GR可接受应激后升高的GC反馈信号,作为“刹车”抑制下HPA轴的功能,以避免长期慢性应激导致的行为异常和代谢免疫紊乱;另一方面,外周代谢组织(如肝脏和骨骼肌)的GR可通过调节各种靶基因信号通路,如抑制胰岛素样生长因子1/胰岛素信号通路,改变生长和代谢模式[50]。

骨骼肌起源于胚胎中胚层,由胚胎间充质干细胞来源的成肌细胞先融合成为肌管,再分化为初级肌纤维和次级肌纤维,之后失去分裂能力。在妊娠中后期,肌纤维数目已经固定,不再生成新的肌纤维,而肌肉的生长主要通过肌纤维的肥大来实现[51]。因此,妊娠期肌纤维的数量决定了后期肌纤维的数量和肉用动物的产肉潜能。妊娠期母体的营养调控可影响后代肌纤维的发育。母猪妊娠期低蛋白日粮会通过组蛋白修饰和microRNA参与的表观遗传机制改变子代骨骼肌肌肉生长抑制素(myostatin)基因的表达,诱发生长迟缓[52]。此外,母猪妊娠期饲喂低蛋白日粮可改变线粒体DNA转录调控区域(D-loop)的甲基化,调控子代猪肌肉线粒体基因的表达和肌纤维类型[53]。上述现象表明,母猪妊娠期营养干预可程序化调控后代仔猪的肌肉性状。

肝脏是机体物质和能量代谢的中心,在机体代谢稳态调控中起到至关重要的作用。本实验室研究表明,母猪妊娠期日粮添加甜菜碱导致新生仔猪血清中乳酸和生糖氨基酸浓度升高,肝脏糖原含量[54]和胆固醇含量增加[55],而甘油三酯含量减少[56]。进一步的研究发现,DNA甲基化、组蛋白乙酰化等表观遗传机制以及GR介导的转录调控机制参与母猪甜菜碱对新生仔猪肝脏线粒体功能和脂肪酸合成基因表达的调控[56]。此外,母猪妊娠期饲喂低蛋白日粮会上调新生仔猪肝脏GR表达,促进糖异生相关基因及mtDNA表达,维持代谢稳态,保障仔猪存活[57-58]。

雌性哺乳动物在配种前和妊娠期的营养状况与卵泡发生、排卵及受精卵在子宫内的存活密切相关,不仅影响受精率、窝产仔数等繁殖指标,而且还可能跨代影响后代的繁殖功能[21]。母畜妊娠期和哺乳期的营养能够程序化影响其雌性后代卵巢的卵泡发生和类固醇生成这2个关键的生物学过程。母猪妊娠期饲喂低蛋白日粮会影响新生雌性仔猪卵巢中卵泡发生和类固醇生成相关功能基因的表达,导致成熟卵泡中颗粒细胞的凋亡增加,成熟卵泡数目减少[59]。

以上研究表明,妊娠期是胚胎发育的关键“窗口期”,子宫内环境和胎盘介导母子信息传递并决定了子代多种表型的形成。

2.3 母乳介导的母子信息传递

母乳是所有新生哺乳动物的重要营养来源。此外,初乳中还含有大量母源性抗体、激素和生长因子,对新生动物的生长、代谢和免疫调控具有重要意义。母乳中的激素和生长因子,如表皮生长因子、胰岛素样生长因子、皮质醇和胰岛素等,不仅能够促进新生儿肠道发育,还能对消化系统、神经内分泌系统、生殖系统和免疫系统的发育起到长期的调节作用[60]。初乳中的激素可通过松弛素受体(relaxin receptor)、雌激素受体α(estrogen receptor α,ERα)等调节仔猪子宫腺体和子宫内膜细胞的发育[61]。使用替代乳代替母乳喂养,即便是仅仅在出生后的2 d内替代,也可导致雌性仔猪生殖系统发育异常[62]。因此,有学者提出了“乳分泌(lactocrine)”的假说,认为母乳中的激素成分在母子信息传递中发挥重要作用,能程序化影响子代的发育[63-64]。

近年的研究表明,microRNA(miRNA)在细胞间的水平转移使其在细胞间通信中起关键作用[65-66]。在所有体液中,乳中的总RNA浓度最高,miRNA数量也最多[67]。乳中含有丰富的外泌体(exosome),外泌体所携带的miRNA具有调节子代生长,促进肠道免疫系统发育和代谢程序化的作用[68]。牛和人乳外泌体中的miRNA,如miRNA-375、let-7a、miRNA-148 和 miRNA-320 等,可以缓解小鼠结肠炎[69]。此外,人乳外泌体中miRNA-148a的丰度与1月龄婴儿体脂含量呈正相关,而miRNA-30b的丰度与体脂含量呈负相关[70]。进一步研究发现miRNA-30b可靶向调控解偶联蛋白1(uncoupling protein 1,UCP1)的表达,从而调节白色脂肪组织转化为米色/棕色脂肪组织[71]。由此可见,母乳可通过携带的生物活性物质和表遗传信息介导母子间信息传递。

2.4 母性行为介导的母子信息传递

母体也可通过行为影响子代的表型。母鼠的母性行为会对其后代成年后的行为产生长远的影响[72]。在大鼠和其他哺乳动物,母性行为对成年后代的应激反应和行为模式具有长期影响。母鼠对新生仔鼠的舔毛、梳理等母性行为,会降低新生仔鼠海马GR基因启动子区域DNA的甲基化水平,上调海马GR的表达,从而加强应激时HPA轴的负反馈调控,导致糖皮质激素水平明显下降[73]。另有研究报道,大鼠母性行为的差异与下丘脑内侧视前区ERα的表达密切相关。经常为新生仔鼠舔毛、梳理的母鼠及其抚养的雌性后代下丘脑内侧视前区ERα的表达均显著上调,且雌性后代成年后也表现良好的母性行为[74]。寄养试验显示,母性行为差的母鼠产生的后代,如果一出生就由母性行为好的母鼠代养,其下丘脑内侧视前区ERα的表达会显著上调,并在成年后表现良好的母性行为;相反,如果母性行为好的母鼠产生的后代一出生就由母性行为差的母鼠代养,其下丘脑内侧视前区ERα的表达就会显著下调,并在成年后表现较差的母性行为。进一步的机制研究表明,新生期缺少母爱的雌性后代下丘脑内侧视前区ERα启动子区甲基化程度高,ERα表达下调,受ERα调控的催产素表达和分泌水平下降,母性行为较差[75]。此外,缺乏母爱的小鼠海马神经元基因组DNA具有更多的“乱码”,即长散在核元件反转录转座子(LINE-1 retrotransposon,L1)。L1转座子可以通过复制-粘贴的方式,将自己的序列不断插入到基因组的其他区域。母鼠照顾小鼠的时间越短,小鼠海马神经细胞的L1转座子就会在基因组中插入越多的复制体,这也意味着疏于母鼠照顾的小鼠的神经细胞更容易产生随机的基因突变[76]。

2.5 微生物介导的母子信息传递

肠道菌群(microbiota)与宿主动物的健康息息相关。母畜肠道中微生物菌群的组成不仅关系到自身的健康,而且还能作为母子信息传递的媒介,对子代的生长发育和健康状态产生深远的影响[77-78]。新生动物可从分娩的产道、母亲的粪便和乳汁中获得一部分母源菌群,这些菌群的组成与其成年后的多种疾病,包括肥胖、糖尿病、过敏等的发生有关[79]。对灵长类动物的试验结果表明,妊娠和哺乳期间母亲的饮食对后代的肠道微生物组具有显著且持久的影响,即使子代断奶后改变饮食也只能部分逆转这种母源性影响[80]。

母体的营养、应激以及抗生素的使用等因素会影响微生物在母子之间的传递。动物试验和人类流行病学数据表明,母亲妊娠期肥胖或高脂饮食会改变新生儿微生物菌群和免疫系统,提高成年后肥胖和代谢疾病的发生率[81]。在小鼠模型中,缺乏膳食纤维的饮食会降低母鼠和子鼠体内微生物的多样性和纤维降解菌群的丰度,并且不能通过之后的高纤维饮食来纠正[82]。孕期应激引起的母体微生物菌群变化也可以介导孕期母体应激对子代肠道菌群发育的影响,并且还存在性别差异。研究表明,出生前冷应激显著减少雄性后代肠道中毛螺菌(Lachnospiraceae)和普雷沃氏菌(Prevotellaceae)的比例,而显著上调雌性后代乳酸菌(Lactobacillus)和拟杆菌(Bacteroides)的比例[83]。抗生素在妊娠期间被广泛使用,围产期母体使用抗生素会增加肠杆菌科细菌的数量[84]。此外,抗生素的使用导致早期新生儿肠道中变形菌(Proteobacteria)和厚壁菌(Firmicutes)数量增加以及放线菌(Actinobacteria)数量减少[85-86]。

研究表明,仔猪的肠道菌群与母猪肠道菌群之间具有显著的相关性[87],可见母源微生物决定着哺乳仔猪早期的肠道菌群定殖。母猪可能通过胎盘、产道、母乳和粪便这些主要的途径实现微生物的垂直传递[88]。母源微生物对仔猪的影响主要体现在仔猪肠道功能的早期发育与成熟[89]。

3 父子信息传递及其机制

对绝大多数物种而言,父子之间的信息传递仅通过短暂的受精过程实现。不过,越来越多的证据表明,精液中的精子和精清包含大量的表观遗传信息,比如精子DNA甲基化、组蛋白修饰、RNA的组成和修饰,以及精清中的外泌体和其他活性成分。父亲的生存环境会改变这些表观遗传信息,并通过受精过程传递给子代,从而影响子代的表型。

3.1 精子介导的父子信息传递

哺乳动物基因组DNA的甲基化会在原始生殖细胞期以及早期胚胎发育阶段进行重编程,精子发生后期染色质上绝大多数的组蛋白会被鱼精蛋白替代,因此限制了 DNA甲基化和组蛋白修饰作为表观遗传信息载体的可能性[90-91]。但是,部分逃脱配子生成和早期胚胎发育过程中表观遗传重编程而保留下来的DNA 甲基化位点以及染色质组蛋白修饰等信息,可介导亲代获得性性状向子代的传递[92]。

Anway 等[93]最先证明,胚胎期暴露于内分泌干扰物乙烯菌核利(vinclozolin)或甲氧滴滴涕(methoxychlor)的雄性大鼠,其子代睾丸生殖细胞整体 DNA 甲基化水平升高,精子质量下降,且这些改变可持续至 F4代。终生饲喂叶酸缺乏日粮的雄性小鼠精子DNA甲基化会发生改变,并伴随生育能力的降低以及子代出生缺陷(包括颅面和肌肉骨骼畸形)的增加[94]。雄鼠应激状态下,高水平的GC导致精子中Scm-like with four mbt domains 2(Sfmbt2)基因启动子甲基化水平上调,从而下调了该基因内含子编码的miRNA-466b-3p水平,miRNA-466b-3p的下调使子代小鼠肝脏糖异生关键酶磷酸烯醇型丙酮酸羧激酶(PEPCK)活性增加,血糖升高[95]。以上结果表明,在雄性生殖细胞发育的任何阶段,父亲所经历的营养不良或各种应激会改变精子DNA的甲基化,从而影响子代表型。

精子染色质的组蛋白修饰也可介导父子信息传递。雄性生殖细胞在减数分裂时会经历极为剧烈的染色质重塑。在生成单倍体精细胞的过程中,组蛋白逐渐替换为鱼精蛋白[91]。不过,人和小鼠精子中分别有约10%和1%的组蛋白未转化为鱼精蛋白[92]。这些保留下来的组蛋白并非随机分布,而是富集于基因的调控元件。在受精后最初的4～6 h内,部分的父源鱼精蛋白被母源组蛋白取代,而保留的父源组蛋白可将表观遗传标记遗传给胚胎[96]。果蝇上的试验结果已证实,高糖饮食诱导的父亲异染色质结构变异可通过精子实现跨代遗传[97],在哺乳动物中也有类似的报道[98]。

精子RNA也可以作为获得性性状跨代遗传的“桥梁”。有证据表明,哺乳动物精子中的RNA谱和RNA修饰都对环境敏感[99-101]。各种环境因素,包括父亲的饮食习惯、精神压力、化学暴露、运动和酗酒等,都会改变精子RNA的组成和修饰[100-108]。一些研究者将从精子中分离的总RNA或部分小非编码RNA(sncRNA)注入受精卵,来研究精子RNA介导的父子信息传递。发现:1)sncRNA可在转录及转录后水平调控受精卵基因表达、染色质结构、基因组DNA 甲基化及组蛋白修饰;2)sncRNA可直接作用于多个不同的mRNA,进而引发受精卵内各种信号分子的级联效应,对早期胚胎发育造成深远的影响,最终可能改变早期胚胎的发育轨迹及子代表型;3)附睾内精子染色质处于浓缩状态,此时DNA甲基化、组蛋白甲基化和乙酰化等表观遗传修饰不易发挥作用,而附睾管腔内精子仍可从附睾管腔微环境中获得sncRNA等表观遗传信息[100-102,109-110]。

在上述sncRNA中,miRNA和30～40 nt sncRNA,包括tRNA来源的小非编码RNA(tRNA-derived small non-coding RNAs,tsRNA)和rRNA来源的小非编码RNA(rRNA-derived small non-coding RNAs,rsRNA)的作用备受关注。部分精子miRNA的功能已经明确,如miR-34c是小鼠精子中最丰富的miRNA,对于小鼠受精卵的第一次有丝分裂是必需的[111]。在一项小鼠研究中,发现雄鼠慢性应激后交配所得的子代个体更易应激。进一步研究发现,精子9种miRNA丰度升高,将这9种miRNA注射到受精卵可重现父本应激诱发的子代易应激的表型[104,112]。类似的工作在小鼠抑郁模型中也有报道,抑郁的雄鼠精子中的RNA表达谱发生变化。其中部分miRNA可调控早期胚胎神经系统发育,进而导致子代成年后更易抑郁。直接将这些RNA注射到受精卵也可诱发子代抑郁倾向[113]。近几年的研究显示,成熟精子中30～40 nt sncRNA高度富集,其丰度超过了miRNA[100-101,113-114]。Chen等[100]发现,饲喂高脂日粮的肥胖雄鼠精子中30～40 nt sncRNA的丰度升高,其产生的子代小鼠表现出葡萄糖不耐受和胰岛素抵抗等现象。将肥胖小鼠精子中分离得到的30～40 nt sncRNA注射入正常的受精卵也引起子代小鼠同样的表型,表明30～40 nt sncRNA可以传递父代获得性的代谢异常表型[100]。然而,将RNA甲基转移酶Dnmt2敲除以减少sncRNA的5-甲基胞苷(m5C)修饰,再进行受精卵注射,可以阻断上述效应,表明精子中sncRNA及其m5C甲基化修饰在父子信息传递中发挥重要的作用[107]。本实验室的研究表明,雄鼠炎症状态下精子tsRNA组成发生变化,与正常雌鼠交配产生的子代表现葡萄糖不耐受和肥胖。将炎症小鼠精子中的30～40 nt sncRNA或人工合成的tsRNA组合注射入受精卵,可模拟父系炎症诱发的子代代谢障碍,而敲除tsRNA生成酶——血管生成素(angiogenin,Ang),又名核糖核酸酶5(RNase 5),可阻断上述现象。表明Ang介导的精子tsRNA生成在父子信息传递中发挥关键作用[115]。精子在体外保存过程中,氧化应激同样可以改变精子tsRNA的组成,并影响子代的代谢和行为特征[116]。

3.2 精清介导的父子信息传递

除精子表观遗传组外,精液中的非精子部分同样可以将父亲的信息传递给子代。精清是各种附性腺的混合分泌物,可提供精子运动所需的能量物质,保护精子免受氧化损伤。因此,精清可通过影响精子的存活、受精能力及其遗传信息的完整性来影响子代。手术切除雄性副性腺使精清减少,会导致生育能力下降,胚胎发育受损。当精清不足时,精子无法抵抗雌性生殖道氧化应激,导致DNA损伤[117]。另一项研究表明,仓鼠副性腺切除可阻碍子代生长并增加其焦虑行为[118]。此外,雄性附睾上皮细胞可通过外泌体将其产生的sncRNA转移到成熟的精子中[103-113,119]。已经证实,应激后附睾上皮细胞miRNA会发生改变,并通过外泌体将这些miRNA转移给成熟的精子,进而随着精子一起进入受精卵,调控早期胚胎的发育,使子代更易应激[103]。

更令人惊讶的是,精清也可不依赖精子影响子代表型。通过手术切除精囊腺导致雄鼠精清缺乏,将其用于交配,导致雌性小鼠受孕率下降,即便受孕,妊娠晚期胎盘明显肥大,出生后雄性子代表现出肥胖、瘦素水平升高、葡萄糖不耐受和高血压等表型[120]。进一步研究发现,精清可直接刺激雌性生殖道产生有利于胚胎发育的细胞因子和生长因子,保护胚胎免受氧化应激,并抑制胚胎细胞的凋亡[120]。因此,精清成分不仅保护精子,还影响输卵管胚胎营养细胞因子的表达,间接影响床前胚胎的存活和发育,进而影响子代表型[120]。

在集约化养殖过程中,对种公畜的选择主要关注遗传力比较高的性状,如生长速度和瘦肉率等。事实上,种公畜不仅影响受胎率、分娩率和产仔性能,精子的表观遗传信息还对后代的各种生产性能有重要影响。以种公猪为例,公猪精液品质与母猪受胎率、窝产仔数密切相关。精子活力是精液质量的最重要指标。然而,精清作为输送精子的必需介质,除营养物质外,还含有多种酶类和信号分子。目前,绝大多数集约化猪场采用稀释后的精液对母猪进行人工授精,精清被稀释5～10倍。研究表明,将精液中的精清用PBS替代后进行人工授精,母猪平均窝产仔数比含精清精液所配母猪平均少2.6头[121]。此外,在精子储存过程中,添加不同量的精清,精子活力存在显著差异,推测精清成分影响了精子活力。由此可见,精清成分直接影响精液质量和繁殖效率。此外,公猪精清中的外泌体可向精子传递tsRNA,之后这些tsRNA可随精子进入受精卵,调控受精卵的第一次卵裂[122]。此外,猪精液冷冻保存过程中,精子携带的sncRNA组成发生改变,也可影响早期胚胎发育[123]。因此,种公畜的健康和福利,精液的采集、储存、运输和人工授精过程中的众多因素均会改变精子和精清中的表观遗传信息,从而影响子代个体的发育、健康和生产性能。这些发现对畜禽保种和育种工作具有重要的意义。

4 亲子一体化养殖的理念与展望

优良的种质资源是保障畜牧业可持续发展的支柱。我国畜禽种质资源的保护和利用存在两大不可忽视的问题:一是许多优良的地方品种濒临灭绝,少数得到保护的品种也逐渐丧失其原有的优良性状;二是国外引进品种陷入“引种—退化—再引种”的恶性循环。如何维持地方品种和引进品种畜禽的优良性状,并通过遗传改良和选育,培育适合中国国情的优良畜禽品种或配套系,摆脱对国外畜禽品种的依赖,是我国畜牧业发展需要解决的关键问题。

健康是动物适应各种内外环境的变化,通过“空间”和“时间”的整合,维持机体的正常生理机能,从而实现个体生存和种系繁衍的一种状态,在生理学上称为“稳态”。“空间”的整合不仅包括动物通过各种调节系统协调不同器官的功能,还包括环境—微生物—植物—动物之间的“跨界”信息交流和能量转化;“时间”的整合不仅涉及动物个体从胚胎到成年不同阶段各种生理功能的关联,还包括世代交替过程中从基因序列、表遗传信息到生产性能等表观性状的跨代传递(图1)。

图1 亲-子信息传递模式图Fig.1 A schematic illustration representing the transmission of information from parent to offspring

4.1 母子一体化养殖

在集约化养殖过程中,母畜以及新生动物面临众多应激因素的挑战,包括圈舍环境(如母猪限位栏、母鸡笼养等)、营养失衡、早期断奶以及手术操作(如剪牙、断尾、去势、断喙)等。这些应激可通过环境-基因互作的方式,改变畜禽性状相关基因的表达模式。与此同时,还可改变配子携带的表观遗传信息,或改变子宫内环境、乳成分、母性行为或肠道微生物,进而改变子代相关性状。因此,首先应根据动物福利的要求,尽可能避免或减轻发育关键“窗口期”也就是种用畜禽的配种前后、妊娠期和新生动物的培育阶段(育雏期和保育期)内的应激。此外,根据畜禽的生理生化特征和育种的需求,可在“窗口期”进行生理调控,比如优化肠道菌群的定殖,增强应激抵抗能力,以避免畜禽优良种质性状的退化,促进遗传改良的进程,实现提高畜禽优良种质性状的目标。

4.2 父子一体化养殖

就种公畜而言,其应激包括饲养过程中环境(如温热环境、粉尘、有毒有害气体等)、营养失衡、管理粗放等造成的应激,以及精液的采集、储存、运输和人工授精等过程的应激。前者主要影响精子发生和成熟的过程,后者包括精子保存过程中稀释液成分、保存温度等。这些不同阶段、不同因素引发的应激均会改变精子和精清中的表观遗传信息,从而影响配种效率以及子代个体的发育、健康和生产性能。因此,改善种公畜的饲养环境,优化精液采集、储存、运输和输精等环节的操作程序,不仅能够避免父源性应激给子代带来的影响,还能以精子和精液为载体,为子代导入积极的表遗传信息,促进子代动物的健康生长,提高子代的生产性能。

综上所述,笔者提出“亲子一体化”理念,在畜禽发育的关键窗口期,采取适当的营养、环境和生理调控措施,实现对关键功能基因的靶向调控,从而维持地方品种和引进品种畜禽的优良性状,培育适合中国国情的优良畜禽品种或配套系,摆脱对国外畜禽品种的依赖,以促进中国畜牧业的健康可持续发展。