Developmental Cell：重磅！备孕男性也需要补充叶酸

众所周知，父亲的生活方式会影响后代的健康。然而，潜在的分子机制至今仍然不清楚。在小鼠和人，生育率和父系传递作用与在改变的精子后生信号包括DNA甲基化，非编码RNA和组蛋白相关联。

基于此，来自加拿大麦吉尔大学的 Sarah Kimmins教授带领团队，假设改变甲基供体可用性的饮食会改变精子和胚胎表观基因组，从而影响胚胎基因的表达和发育。并证明了叶酸缺乏（FD）饮食会改变发育基因和推定的增强子在精子中的组蛋白H3赖氨酸4三甲基化（H3K4me3）。精子中H3K4me3改变的子集保留在植入前的胚胎中，并与胚胎基因表达失调有关。进一步使用遗传小鼠模型，其中父亲已在精子中预先存在H3K4me2 / 3的变化，结果显示FD饮食会加剧H3K4me3和胚胎基因表达的变化，导致发育缺陷严重性增加。这些发现暗示父亲H3K4me3被传递到胚胎并影响基因表达和发育。这进一步表明，表观遗传错误会在精子中积累，从而恶化后代的发育结果。相关研究成果以“Histone H3 lysine 4 trimethylation in sperm is transmitted to the embryo and associated with diet-induced phenotypes in the offspring“为题，在线发表在《Developmental Cell》杂志上。

研究人员使用R / Bioconductor软件包csaw（v1.18.0）鉴定了精子中富含H3K4me3或H3K27me3的区域。排除黑名单区域后，在整个基因组中，每个文库在150 bp滑动窗口中对图谱质量得分高于20的读数进行计数。为了估计全局背景信号，对整个基因组中每个文库的2000 bp连续仓位进行了计数计数。接下里，研究人员通过过滤具有背景（非特异性）富集的窗口并合并剩余的连续150 bp窗口来确定富集H3K4me3或H3K27me3的区域。使用整合基因组查看器（IGV）对轨迹进行视觉评估后，针对每个标记独立优化所有参数。带有日志的Windows 2保留非特异性富集水平超过5倍（对于H3K4me3精子数据）或超过7倍（对于H3K27me3精子数据）的倍数变化。合并剩余间隔小于200 bp（对于H3K4me3精子数据）或小于400 bp（对于H3K27me3精子数据）的窗口。H3K4me3和H3K27me3精子数据的最大峰大小设置为7000 bp。这赋予了精子总共36418个H3K4me3区域和26526个H3K27me3区域。

为了进一步表征精子启动子处的H3K4me3和H3K27me3富集，接下来嘎你研究团队研究了T3周围H3K4me3和H3K27me3相对于CpG密度±1 kb的分布。使用它们各自的密度曲线的局部最小临界值来定义在这些位置富集H3K4me3或H3K27me3的区域。与先前的研究一致，在精子中CpG密度较高的区域主要发现了在精子中带有H3K4me3和H3K27me3的启动子。为了确定H3K4me3或H3K27me3富集水平在这些基因座上反映了不同的功能类别，研究人员将两种标记均分为高，中或低富集水平（图​（图2C2C 和 d（请参见材料和方法），并对属于每个类别的启动子进行基因本体分析（图 ​（图2E2E–Ĵ）。具有高H3K4me3富集的启动子主要包括精子发生途径以及精子成熟和功能的其他相关生物学过程，例如剪接/转录调控，蛋白质修饰和线粒体吞噬。尤其是，具有高H3K4me3水平的启动子富集了在精子发生后期（前瘦素的精细胞到细长的精子的细胞P <0.05）中募集的基因。具有中等H3K4me3富集的启动子参与细胞分裂和胚胎发育（图​（图2G，2G，补充表S3B）以及早期精子发生阶段（原始A型精原细胞到粗线型精子细胞，P <0.05，补充图S6A）。低H3K4me3富集的启动子与细胞转运和信号通路相关（图​（图2I，2I，补充表S3C）。具有最高H3K27me3富集的启动子主要包括植入后的发育过程，例如神经元分化和肢体发育。中度和低度富集H3K27me3类别中的重要途径与基本细胞过程和各种发育途径（例如骨骼系统形态发生）有关。与H3K4me3相反，在精子发生过程中表达的基因与以精子中H3K27me3水平低为标记的启动子相关。该分析突出显示了精子H3K4me3和H3K27me3之间不同的功能作用，但同时也揭示了精子中H3K4me3和H3K27me3的富集水平有助于不同的生物学过程。

为了了解精子发生过程中KDM1A的过量表达如何影响精子中的H3K4me3和H3K27me3，并确定这些标记是否与设定的遗传模型中的跨代表观遗传有关，研究人员比较了CRwt精子，TG和非TG精子的H3K4me3或H3K27me3富集。用于每个芯片起数据集以校正在样品非线性偏压黄土正常化并允许跨实验组健壮比较。一个H3K4me3 TG样品在多维标度（MDS）可视化（TG_A）中被识别为异常值，并被排除在下游分析之外。基于归一化计数的样品之间相似性的可视化表示H3K4me3的CRwt，TG和nonTG实验组之间的清晰分离，但不适用于H3K27me3。研究人员最后确定了3894个H3K4me3启动子区域，与CRwt精子相比，TG精子中的H3K4me3（deH3K4me3）差异富集（FDR <0.2），其中TG精子中的H3K4me3富集度增加了很多。相反，我们只发现了一个非启动子精子中CRTG精子中H3K27me3富集程度不同的启动子（FDR <0.2）。TG精子中带有deH3K4me3的启动子的基因本体分析包括涉及转录或翻译调控，染色质修饰和发育的途径。令人惊讶的是，与CRwt精子相比，非TG精子中856个具有H3K4me3的启动子差异富集，其中75.7％的启动子与TG精子中与deH3K4me3重叠的启动子重叠。综上，这些发现表明，在我们过表达KDM1A的遗传小鼠模型中，精子H3K4me3发生了改变，并且逃脱了表观遗传重编程。

综上所述，该研究团队的发现表明，精子H3K4me3在非遗传表型的世代传递中起作用。在植入前胚胎的父本等位基因上鉴定出许多H3K4me3在精子中富集度发生改变的区域。且产后父亲叶酸缺乏会改变发育位点的精子H3K4me3，精子H3K4me3畸变保留在胚胎中并与先天缺陷相关，胚胎基因表达失调与精子H3K4me3改变一致，KDM1A转基因中的叶酸缺乏会增强精子H3K4me3水平和先天缺陷。

参考文献

1、Lismer A, Dumeaux V, Lafleur C, et al.  Histone H3 lysine 4 trimethylation in sperm is transmitted to the embryo and associated with diet-induced phenotypes in the offspring. Dev Cell. 2021 Mar 8;56(5):671-686.e6. doi: 10.1016/j.devcel.2021.01.014. Epub 2021 Feb 16. PMID: 33596408.

2、Lismer A, Siklenka K, Lafleur C, et al.. Sperm histone H3 lysine 4 trimethylation is altered in a genetic mouse model of transgenerational epigenetic inheritance. Nucleic Acids Res. 2020 Nov 18;48(20):11380-11393. doi: 10.1093/nar/gkaa712. PMID: 33068438; PMCID: PMC7672453.