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环境因素如饮食和生活方式，可以影响哺乳期母体及其子代的健康，但其跨代传递及潜在机制尚不清楚。研究表明，父母的饮食模式和生活方式可以影响子代的健康；同时大量研究表明孕产妇营养状况与子代健康之间存在相关性。母乳中的生物活性物质和营养物质支持婴儿的免疫发育和身体生长。而母体蛋白质营养不良、西方饮食、高纤维未加工饮食、高糖饮食和低纤维饮食等已被证明可以影响子代表型，这与健康和疾病发育起源（DOHaD）的假设一致。尽管亲本饮食对子代的影响已被广泛研究，但其潜在机制和跨代传递知之甚少。

DNA甲基化在生殖细胞特异性、成熟和早期发育中起着至关重要的作用。在雌性生殖细胞中，DNA甲基化发生在出生后，并持续到青春期，且DNA甲基化可以在哺乳动物中跨代传递。DNA甲基化易受环境因素影响，父体低蛋白饮食可以诱导精子DNA低甲基化，而子宫内营养不良则扰乱卵母细胞和精子甲基化。母体高脂饮食影响卵母细胞DNA甲基化，产前饥荒也会影响与生长和代谢疾病相关基因的DNA甲基化状态。但目前尚不清楚哺乳期母体饮食如何影响子代健康。

 

近日，中国科学院动物研究所顾林舰博士为第一作者、广东省第二人民医院孙青原教授为通讯作者在《Journal of Genetics and Genomics》（JGG）期刊发表题为“The transgenerational effects of maternal low-protein diet during lactation on offspring“的研究成果，该研究使用母体哺乳期低蛋白饮食（LPD）的小鼠模型，研究LPD饮食如何通过卵母细胞的DNA甲基化变化及其基因调控等表观遗传影响子代的生存、生长、繁殖能力以及代谢健康，并探讨其跨代传递的潜在机制。易基因为本研究提供scRRBS分析技术服务。

标题：The transgenerational effects of maternal low-protein diet during lactation on offspring（哺乳期母体低蛋白饮食对子代的影响）

期刊：《Journal of Genetics and Genomics》（JGG）

影响因子： IF 6.6

技术平台：scRRBS、scRNA-seq（Smart-Seq2）、16s等

 

本研究利用母体哺乳期低蛋白饮食（LPD）小鼠模型，展示了母体LPD在哺乳期会导致存活率下降和生长迟缓，显著减少排卵和窝仔大小，并改变雌性LPD子代的新陈代谢、肠道微生物组和卵母细胞转录组。LPD-F1中期II（MII）卵母细胞转录组测序分析结果表明，差异表达基因在女性妊娠和多个代谢过程中富集。母体LPD导致早期生长迟缓并损害代谢健康，这些影响可以传递超过两代。研究还利用采用单细胞简化基因组亚硫酸盐测序 （scRRBS）来分析LPD和LPD-F1卵母细胞甲基化模式变化部分可以传递给F2卵母细胞，阐明哺乳期间母体营养如何影响子代的生殖细胞 DNA 甲基化，从而探索跨代传递机制。总之，本研究结果揭示了LPD在哺乳期通过卵母细胞表观遗传变化跨代传递影响子代健康。

 

研究方法：

本研究使用母体哺乳期低蛋白饮食（LPD）小鼠模型，研究哺乳期母体LPD对子代发育和代谢的影响。研究中，LPD-F0雌鼠在哺乳期间体重低于对照饮食（CD）-F0。通过检测F1和F2代小鼠的体重变化、繁殖能力、葡萄糖耐量和胰岛素耐量，以及对F1代成年雌性卵母细胞进行单细胞RNA测序（scRNA-seq）和单细胞简化基因组重亚硫酸盐测序（scRRBS）分析，研究母体LPD对卵母细胞转录组和甲基化模式的影响。

 

研究结果

研究发现，母体LPD在哺乳期会导致F1代和F2代子代生长迟缓、存活率降低和繁殖能力下降。F1代雌性子代的窝仔数减少，自然排卵数量减少。F2代虽然出生体重正常，但在早期体重增长缓慢。此外，母体LPD还导致子代代谢健康受损，这种影响在两代中都有所体现。F1代卵母细胞的甲基化模式发生显著变化，这些变化部分可以传递给F2代卵母细胞。研究表明，哺乳期母体LPD通过卵母细胞的表观遗传变化，对子代健康产生跨代传递。这些发现揭示了母体饮食与子代健康之间的潜在分子联系，并为进一步研究提供了新的视角。

（1）哺乳期的母体低蛋白饮食影响子代健康。

图1：哺乳期母体低蛋白饮食（LPD）影响子代的发育和繁殖。

A：实验设计。

B：断奶时CD-F1或LPD-F1的存活率。

C：F1雌性子代的体重轨迹（n CD_F1=13, n LPD_F1=12）。

D：F1子代的窝仔大小。

E：F1子代的自然排卵。

F：F2子代的出生体重。

G：F2雌性子代的体重轨迹（n CD_F2=12, n LPD_F2=10）。

H：F2子代的窝仔大小。

I：F3子代的出生体重。

 

（2）哺乳期母体低蛋白饮食（LPD）导致子代葡萄糖代谢紊乱

图2：10周和20周龄LPD-F1和LPD-F2雌性子代的葡萄糖耐量试验（GTT）和胰岛素耐量试验（ITT）。

 

（3）成年雌性F1子代的肠道微生物组变化。

图3：成年LPD-F1子代（12周龄，n=8）的粪便微生物组变化。

 

 

（4）LPD-F1卵母细胞中的全基因组高甲基化。

图4：LPD-F1卵母细胞中的整体DNA高甲基化

图5：LPD-F1卵母细胞中的差异甲基化区域（DMRs）分析。

A：LPD-F1卵母细胞中低甲基化和高甲基化DMRs比例。

B：DMRs在不同染色体上的分布。

C：饼图显示不同基因组区域中DMRs的分布。

D-E：启动子区高甲基化基因（D）和低甲基化基因（E）的GO分析。

F-H：维恩图表示不同甲基化基因与差异表达基因（DEGs，F）、高甲基化基因与下调基因（G）以及低甲基化基因与上调基因（H）之间的重叠。

DMRs，差异甲基化区域；GO，基因本体论；CGI，CpG岛；LINEs，长散在核元件；LTRs，长末端重复序列；SINEs，短散在核元件。

 

（5）F1代卵母细胞中变化的DNA甲基化部分传递给F2代卵母细胞。

图6：LPD-F2卵母细胞中的差异甲基化区域（DMRs）分析。

A：LPD-F2卵母细胞中低甲基化和高甲基化DMRs比例。

B：DMRs在不同染色体上的分布。

C：饼图显示不同基因组区域中DMRs分布。

D：维恩图展示LPD-F1高甲基化基因与LPD-F2高甲基化基因的重叠。

E：维恩图展示LPD-F1低甲基化基因与LPD-F2低甲基化基因的重叠。

F：LPD-F1与LPD-F2之间重叠高甲基化基因的GO分析。

参考文献：

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.