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近日，一篇重磅Nature文章发现父亲的肥胖状况能够通过精子中线粒体tRNA片段（mt-tRF&tiRNA）影响后代的新陈代谢。在以往的经验中，这种来源于线粒体的小非编码RNA高通量检测实验里普遍出现，然而许多研究人员并不清楚如何研究这些RNA的功能、怎样探索线粒体tRF&tiRNA对各种疾病的影响。这篇文章展示了mt-tRF&tiRNA从精子到胚胎的传递过程，揭示了mt-tRF&tiRNA调控胚胎代谢重编程的重要作用，为tRF&tiRNA这一经典小非编码RNA拓开了更宽广的研究方向。康成生物丨数谱生物希望通过分享解析这篇深度好文，对广大客户的小非编码RNA研究提供更多帮助（欢迎关注我司small RNA研究客户成果！）。
“Epigenetic inheritance of diet-induced and sperm-borne mitochondrial RNAs”文章于2024年6月发表在nature上，揭示了父系高脂饮食通过精子线粒体tRNA片段（mt-tRF&tiRNA）介导跨代代谢紊乱的机制。作者通过筛选高脂饮食小鼠模型的tRF&tiRNA以及体外受精后关联其对子代代谢异常的影响，深入探索了mt-tRF&tiRNA这一类极为特殊的小非编码RNA在跨代表观遗传过程中的生物学功能，为tRF&tiRNA的研究提供了崭新的前景。 在这项研究中，研究者揭示了父代高脂饮食（HFD）通过精子线粒体来源的tRNA片段（mt-tRF&tiRNA）介导跨代代谢紊乱的分子机制。实验表明，雄性小鼠经2周HFD干预后，精子中mt-tRF&tiRNA表达量显著上调，而当这些精子通过体外受精与卵母细胞结合时，父源mt-tRNA还可持续存在于胚胎细胞中，并诱导氧化磷酸化通路基因的过早激活，最终导致约30%的雄性子代出现葡萄糖不耐受，在临床统计上，年轻男性精子mt-tRF&tiRNA丰度与BMI呈正相关，父代BMI每增加5 kg/m2，子代空腹血糖升高0.2 mmol/L。此研究首次证明精子线粒体来源的小非编码RNA可作为环境信息的载体，突破了传统遗传学中父系仅传递核基因组的认知，为代谢疾病的跨代预防提供了全新前景。
研究思路
1. 小鼠模型构建与临床统计结果
作者通过对6周龄C57BL/6N雄性小鼠进行2周高脂饮食（HFD，脂肪供能60%）干预，设置低脂饮食（LFD，脂肪供能10%）对照组，随后进行4周恢复期（转为标准饲料）。通过核磁共振检测体重与体成分，发现HFD组小鼠体重、脂肪量显著增加，在恢复期后体重与脂肪量回落。糖耐量实验显示HFD组小鼠产生的葡萄糖耐量受损在恢复期后也有部分逆转，这部分表型实验说明，短期HFD引发的代谢紊乱具有可逆性（图1A）；在跨代实验验证中，父代HFD暴露导致约30%子代雄鼠出现呈现葡萄糖不耐受（图1B-D），相比之下，恢复期处理后的父代小鼠所产子代并未出现代谢异常，这表明附睾成熟阶段的精子对此时的环境刺激具有直接敏感性。
在来源于芬兰青年男性的临床统计结果（n=18）中，作者发现有29个mt-tRF&tiRNA的表达水平与BMI呈正相关，其中mt-TL1的表达水平还与空腹血糖水平显著相关，且父代BMI每增加5 kg/m²，子代空腹血糖升高0.2 mmol/L（图2D, E）。
2. 精子mt-tRF&tiRNA鉴定
为了明确精子对环境刺激的相应以及影响子代代谢紊乱的原因，研究者首先纯化附睾尾部精子，然后通过小RNA测序进行初步筛选分析。结果发现，急性HFD暴露能够导致小非编码RNA表达水平在约25%的精子中发生显著变化（图2A），其中细胞核编码的tRNA表达量显著下降（图2B），而线粒体来源的tRNA 5’片段mt-tRF&tiRNA表达显著上调（图2C），且在所有检出类型的小非编码RNA中占比最高，证明mt-tRF&tiRNA在成熟精子中有特异性高表达（图2F），提示mt-tRF&tiRNA可能作为精子的环境感应因子在成熟过程中发挥重要作用。
3. 精子mt-tRF&tiRNA调控子代代谢途径的验证
为进一步解析精子mt-tRF&tiRNA在跨代遗传中的作用，作者对精子mt-tRF&tiRNA在受精和发育过程中的跨代传递进行了追踪，通过建立C57BL/6N小鼠与线粒体基因编辑小鼠的杂交胚胎模型，使得研究者可以利用416个SNP位点区分并追踪父源mt-tRNA。胚胎RNA-seq数据显示，父源mt-tRNA产生的片段在受精后持续存在于胚胎中（图3A），其丰度与精子mt-tRF&tiRNA表达水平呈正相关，表示精子mt-tRF&tiRNA可在受精后的胚胎中稳定发挥作用，而不是被胚胎细胞降解。
通过比较两代实验动物和对照动物的组织转录组通路富集分析结果，作者发现父代HFD暴露将导致子代早期胚胎细胞中的代谢相关通路，如氧化磷酸化被过早地异常激活（图4f）。在早期胚胎中，线粒体代谢相关基因持续异常上调（图3B），这些结果表明，在尾端精子中，mt-tRF&tiRNA的上调是对饮食引起线粒体功能障碍的一种异常过度的补偿反应（图3C），证实了精子mt-tRF&tiRNA在胚胎细胞中调控代谢通路的直接作用。
4. 线粒体功能障碍与mt-tRF&tiRNA的关联机制
为了验证父系线粒体功能障碍是否会影响精子中的mt-tRF&tiRNA表达并导致跨代糖代谢不耐受，研究者利用IMPC表型数据库，筛选了父母为线粒体结构功能相关基因杂合子的小鼠后代，在这些小鼠的代谢数据中，作者发现它们的精子中普遍具有mt-tRF&tiRNA的显著累积。其中，带有Mrpl23、Ndufb8等线粒体膜电位维持关键基因突变的精子样本，经过验证能够重编程后代的葡萄糖代谢（图4A），且这些突变精子样本都具有与HFD小鼠模型同样的mt-tRF&tiRNA表达异常升高（图4B, C）。表明HFD能够通过诱导精子线粒体膜电位下降，触发mtDNA代偿性转录上调，使mt-tRF&tiRNA表达异常升高，最终调控胚胎代谢重编程。
总之，本研究表明父亲的饮食习惯对后代的代谢健康有重要影响。高脂饮食（HFD）会诱导精子线粒体tRNA片段（mt-tRF&tiRNA）的表达增加，这些mt-tRNA在受精过程中从精子转移到卵子中，影响早期胚胎的基因表达，最终导致后代代谢问题。作者利用小鼠和人类数据揭示了饮食诱导的线粒体功能障碍与精子小非编码RNA在代际间信息传递中的重要作用。这一发现为进一步研究精子小非编码RNA在代谢疾病预防和治疗中的潜力提供了新的视角。
技术路线
结果展示
图1. 急性高脂饮食（HFD）模型的构建与表型验证
A：HFD暴露雄鼠未暴露雄性后代的葡萄糖耐受性测试；
B：暴露于 LFD 或 HFD 喂养两周的小鼠的体重（左）、身体成分（右）和葡萄糖耐受检测；
C：四周恢复期对饮食引起的HFD模型小鼠体重影响；
D：四周恢复期对HFD模型小鼠身体成分和葡萄糖耐量（d）的影响。
图2. 精子小非编码RNA高通量筛选
A：直方图显示细胞核和线粒体衍生的tRF&tiRNA和rsRNA中差异倍数的分布；
B：火山图表示有显著差异表达的mt-tRF&tiRNA；
C：LFD 和 HFD 喂养小鼠尾部精子中 mt-tRF&tiRNA 的来源片段统计；
D：人类精子中mt-tRF&tiRNA与 BMI 的相关性分析；
E：BMI异常（瘦弱和超重）的人类样本（n = 18）在精子中差异表达的tRF&tiRNA；
F：从附睾头、附睾体和附睾尾部分离的精子中小非编码RNA 各种类型的相对丰度。
图 3. mt-tRF&tiRNA机制研究1
A：RNA测序显示HFD小鼠的成年组织和生殖细胞中线粒体关键基因的表达热图；
B：HFD父系小鼠来源的胚胎中mt-tRNA的追踪检测，显示tRNA可从精子保留到胚胎中；
C：mt-tRF&tiRNA从父代F0精子中保留到子代F1胚胎的模式图。
图 4. mt-tRF&tiRNA机制研究2
A：柱状图表示父代线粒体关键基因杂合产生的后代的与对照组比有明显葡萄糖不耐受现象，黑色箭头表示线粒体关键基因杂合精子样本产生的后代；
B：线粒体关键基因突变的父代小鼠在尾部精子中小非编码RNA类型的分布；
C：线粒体关键基因突变的父代小鼠在尾部精子中5′-n-tRF&tiRNA 和 5′-mt-tRF&tiRNA 相对表达水平的热图，显示突变小鼠的精子中mt-tRF&tiRNA有显著表达水平提高。
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文章原文
Epigenetic inheritance of diet-induced and sperm-borne mitochondrial RNAs
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