2018.08.01 11:02

精子竟會記錄父輩所歷經的溫度! 天生吃不胖或許是來自父親的禮物

文|MIT科技評論

在一個新生命形成之初,來自父母的遺傳物質中不僅包含有家族信息,更寫滿了他們的人生印記。

遺傳信息就像一個密碼本,每一條染色體裡都寫滿了生命的秘密。但也許你並不知道知道,它同時也是一個記事本。在一個新生命形成之初,來自父母的遺傳物質中不僅包含有家族信息,更寫滿了他們的人生印記。

近日,來自蘇黎世聯邦理工學院(Eidgenössische Technische Hochschule Zurich,ETH Zurich)的 Christian Wolfrum 研究團隊發現,在交配或受孕前,父親處於較低溫環境的後代相比與父親處於常溫環境的後代,具有更多的棕色脂肪組織。

這些棕色脂肪組織可謂是脂肪界的「勞模」,他們身處組織深處燃燒脂肪,為機體產熱。因而具有更多棕色脂肪組織的後代意味著更強的系統代謝能力—吃得多也不怕胖。而在接受同樣的高脂飲食後,父系經過低溫環境的二代小鼠表現出更強的代謝能力,體重增加的更少,同時體脂水平、甘油三酯水平也更低,對胰島素也更敏感。

通過進一步動物實驗,研究者發現這部分印記是通過表觀遺傳修飾的形式「寫」在精子裡的。這是研究者首次發現外界環境溫度變化會導致表觀遺傳的變化,研究的相關細節近期發表在著名期刊 Nature Medicine 上。

 

▍脂肪家族

2016 年,全球約有 39% 的成年人被劃分為超重人群(BMI>25),約 13% 被認為是病態肥胖(BMI>30),營養過剩就像一朵「幸福」的烏雲籠罩在人們頭上,肥胖帶來的各種並發症成為現代人的一種社會負擔。

在與肥胖的拉鋸戰中,功能極為特殊又關鍵的一類內分泌器官就是脂肪組織。脂肪組織是指由大量脂肪細胞聚集的群體,一般來說,脂肪按照結構和功能不同可以分為白(黃)色脂肪組織和棕(褐)色脂肪組織。

白色脂肪組織(white adipose tissue,WAT),即我們通常所稱的脂肪組織,是由大量的單泡脂肪細胞組成,因細胞中央有一大脂滴而得名。其主要位於皮下、網膜等位置,被稱為是體內最大的「能源庫」,具有儲存能量、保持體溫、參與脂肪代謝以及緩衝保護器官等作用。由於存在的位置不同,可能對健康存在負面影響,包括胰島素抵抗綜合征、代謝綜合征及 II 型糖尿病等。

棕色脂肪組織(brown adipose tissue, BAT),又稱褐色脂肪組織,其外觀呈褐色。這種多泡脂肪細胞內分散有多個小脂滴,線粒體大而豐富,內膜上含有豐富的解偶聯蛋白 1(UCP1),主要位於頸部和肩部。在較低的環境溫度下,棕色脂肪細胞就像一個「產熱器」,分解脂類為機體提供熱量。除此之外,棕色脂肪組織還具有調整能量平衡、防止肥胖的功能。棕色脂肪組織在人類的生長發育過程中是一個動態的過程,一般來說,隨著年齡增長,人體內的棕色脂肪量會逐漸減少,成人體內的棕色脂肪比例要明顯低於嬰兒時期。

近年來,隨著對棕色脂肪組織研究的深入,研究者又將棕色脂肪細分為兩類:典型的棕色脂肪(位於肩胛間區域的,本研究中簡稱 iBAT)和米色脂肪細胞(嵌入腹股溝的白色脂肪區域的,本研究中簡稱為 ingWAT)。已有的研究顯示,輕微的寒冷可以喚醒棕色脂肪組織的功能,促使其燃燒熱量,幫助減重,因而棕色脂肪組織也被認為是關系人類或囓齒類動物代謝健康的重要角色。

既然棕色脂肪對於人類健康好處多多,那是否有辦法讓後代擁有更多的棕色脂肪細胞呢?答案是肯定的,操作也很簡單—只要選對啪啪啪的季節。

 

▍精子裡的寒暑表

有的人天生吃不胖,有的人卻是喝水都長肉,而這兩類人群的分布似乎與受孕時間之間有著千絲萬縷的聯繫。

為了驗證猜想,來自蘇黎世聯邦理工學院的 Christian Wolfrum 教授團隊首先比較了 2007-2015 年間來自蘇黎世大學醫院的 8440 名成年人 FDG-PET/CT 掃描影像,通過分析他們發現,在 10 月-2 月間(即一年中較冷的時間,平均溫度約為 2℃)被懷孕的人,相比於在 4 月-9 月(氣溫較高的時間,平均溫度約為 13℃)被懷孕的人,具有更多被喚醒的棕色脂肪組織。

擁有更多被喚醒的棕色脂肪組織意味著相比之下,在特定時間內(10 月-2 月)被懷孕的人可能會燃燒更多的熱量,這一優勢不僅有利於保持苗條的身材,更可以使出生的後代具有更小的代謝疾病風險。

那是否懷孕前所處的環境溫度就是這一差異的原因呢?為了驗證這一猜想,研究者們選取小鼠作為研究對象,將 23℃設定為較高溫度,8℃設定為較低溫度,分別使幾組小鼠在交配前、交配後或全程處於某一溫度下。

研究發現,父母在交配前經歷過低溫環境的鼠二代,擁有更多被喚醒的棕色脂肪組織和米色脂肪組織,這意味著溫度(寒冷刺激)的確是影響後代棕色脂肪組織或米色脂肪組織活性的重要原因。經過進一步的體外受精試驗,研究者發現,這一影響來自父親。

同時,即使是接受同樣的高脂飲食,父系經過低溫環境的二代小鼠表現出更強的代謝能力,體重增加的更少,同時體脂水平、甘油三酯水平也更低,對胰島素也更敏感。

可是後代是如何從父系的精子中獲得父輩的生活經歷呢?難不成精子裡也刻著寒暑表麼?

 

▍父系寫下的詩

毫無疑問,這一切的秘密都寫在精子中,解開謎團首先就要破解遺傳信息。既然常規的溫度變化並不會導致基因突變,剩下的解釋就只有表觀遺傳學層面上的修飾了。

表觀遺傳學(epigenetics)又譯為表徵遺傳學、外遺傳學以及後遺傳學,在生物學和特定的遺傳學領域,其研究的是在不改變 DNA 序列的前提下,通過某些機制引起可遺傳的基因表達或細胞表現型的變化。

表觀遺傳現像包括 DNA、RNA 干擾、組蛋白修飾等,其研究內容主要包括兩類,一類為基因選擇性轉錄表達的調控,有 DNA 甲基化、基因印記、組蛋白共價修飾和染色質重塑;另一類為基因轉錄後的調控,包括基因組中非編碼 RNA、微小 RNA、反義 RNA、內含子及核糖開關等。

通過進一步對精子甲基化水平的研究,研究者發現父系的冷暴露會對後代棕色脂肪組織的特徵蛋白轉錄表達水平以及精子的表觀遺傳特徵產生影響。多年來,科學家一直認為某些環境因素會對精子的表觀遺傳模式產生影響,而此次的研究結果則首次證明了環境溫度的變化也會導致表觀遺傳的變化。

棕色脂肪組織能夠更好地燃燒能量,為機體產熱,從而可以更容易的適應低溫環境。「也許正是這一機制使生物免受寒冷的侵襲,而這也是該表觀遺傳機制在進化中被選擇的原因」Wolfrum 教授解釋。

那是否意味著如果想要一個棕色脂肪組織更多,即身材可能更苗條、代謝更健康的後代,啪啪啪之前最好先讓孩子他爸游個冬泳或者沖個涼呢?

「目前給出這樣的建議還為時尚早,我們需要更深入的開展人類研究」Wolfrum 介紹,「但看起來提前『冷處理』需要堅持一段時間才能達到表觀遺傳修飾的作用,只是在冷水裡泡個猛或者在冰上躺一會可能並不能奏效。」後續該團隊將會對處於不同時間(冬季或夏季)人類精子的表觀遺傳修飾水平進行研究。

但單純的遺傳因素並不能決定一個人的一生,後天的環境同等重要。擁有更多的棕色脂肪組織只能讓子代相比之下具有更高的代謝能力,但最終表現出的表型則需要結合生活、飲食、健康習慣等。

對於男同胞來說,啪啪啪可以愉悅精神,又能消耗卡路里,如今更重要的是,選對了時間或環境條件,甚至還能造福後代,而良好的作息、飲食、生活習慣更可能幫助子孫贏在起跑線上。所以,此刻你所有努力最終都將會寫成詩,與美好的希冀和祝願一起刻在後代的生命中。

更新時間|2019.03.21 05:38

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