流行病學調查，孕期不良環境會影響子代出生結局和遠期的健康[1]。黃荷鳳研究組2012年在 Diabetes雜誌中發現小鼠妊娠糖尿病可能通過表觀遺傳機製引起子代成年糖尿病[2]，提示孕期的健康管理至關重要。然而，育齡婦女孕前期不良內環境是否能影響卵母細胞發育而損害子代健康尚不明確。糖尿病的發生率日趨增高且日益低齡化。全世界範圍內有2/5的糖尿病婦女尚在育齡期，且仍有許多病人未得到及時的診斷和治療[3]。一個亟待回答的問題是：這些育齡期婦女孕前期經歷的高血糖等不良內環境能否通過卵母細胞進而損害其子代健康？其機製是什麽？
2022年5月19日，Nature在線發表了主要由黃荷鳳教授與徐國良教授領銜，由浙江大學、MK体育平台、中科院上海生命科學院與交通大學等多家單位合作完成的研究工作的最新研究成果“Maternal inheritance of glucose intolerance via oocyte TET3 insufficiency”。該研究揭示了孕前期的高糖環境可誘導卵母細胞中母源效應因子DNA雙加氧酶TET3 (tet methylcytosine dioxygenase 3) 表達降低和功能減弱，改變胚胎DNA甲基化譜式，進而引發子代成年後胰島素分泌相關基因等表達受限，最終導致子代呈現葡萄糖耐受不良。該工作提示卵母細胞TET3的正常功能可決定子代長期健康。
研究人員首先建立了鏈脲佐菌素（Streptozocin, STZ）誘導的孕前期高血糖小鼠模型，此後利用其卵母細胞在培養皿中進行體外受精，並將發育好的二細胞胚胎移植到正常代孕母鼠體內孕育子代。這種體外受精-胚胎移植（in vitro fertilization-embryo transfer, IVF-ET）系統能夠排除孕期和產後環境變量的幹擾，保證子代的表型完全來自於孕前期卵母細胞的不良暴露。研究者對孕前高糖小鼠卵母細胞發育而來的子代小鼠進行健康監測，發現其糖代謝受損，葡萄糖耐受能力不足（impaired glucose tolerance），主要表現為胰島素分泌不足。有趣的是，孕前期高糖處理只能影響子一代小鼠，而在子二代小鼠中並未發現健康問題。
圖1. 孕前高糖雌鼠及其子代小鼠模型的建立
為了尋找孕前高糖暴露的卵母細胞介導子代葡萄糖耐量受損的關鍵分子機製，研究人員對孕前高糖小鼠的MII卵母細胞進行了轉錄組測序，發現母源效應因子DNA雙加氧酶TET3在孕前高糖卵母細胞中表達下降。徐國良研究組曾在2011年 Nature 雜誌中揭示了卵細胞來源的母源因子TET3加氧酶主要負責受精卵中父本基因組DNA胞嘧啶甲基的氧化修飾，從而啟動DNA的去甲基化和重編程[4]。進一步分析發現，孕前高糖組受精卵的雄原核中TET3蛋白水平降低，相應的氧化產物5hmC減少。
隨後，研究人員對孕前高糖小鼠的子代胰島進行了全基因組甲基化測序。結果顯示，啟動子區域高甲基化的基因主要富集在胰島素分泌通路（insulin secretion pathway）中，其中包括胰島素分泌的限速酶，即葡萄糖激酶GCK (Glucokinase）。以Gck的啟動子區域為例，研究人員發現胰島素分泌基因的高甲基化最早出現於受精卵的雄原核，並一直延續到子代成年小鼠的胰島中，並呈現父本特異性的高甲基化。這些結果均提示了在孕前高糖的暴露下，胰島素分泌基因的高甲基化來源於受精卵的雄原核，且持續到子代。
為了進一步明確子代葡萄糖不耐受的表型和胰島素分泌相關基因的DNA甲基化譜式的改變是由於卵母細胞中TET3表達的下降引起的，研究人員檢測了卵母細胞特異性純合或雜合敲除Tet3的小鼠子代，發現這些子代小鼠也呈現父源Gck基因的高甲基化與糖耐量受損的表型。此外，在孕前高糖小鼠的MII卵母細胞中回補Tet3 mRNA可以很大程度恢復甲基化水平和子代表型。這些遺傳學證據印證了TET3是卵母細胞中介導孕前高糖導致子代血糖代謝受損的重要因子。有趣的是，雖然TET3下調發生於卵母細胞中，反而是受精後的父源基因組Gck啟動子甲基化水平出現了更大程度的上升，原因是TET3是一個重要的母源因子，其主要負責受精後的主動去甲基化過程，而該過程有著一定的父源基因組偏好性。
值得註意的是，在生殖中心收取的糖尿病患者的GV期卵母細胞和體外培養的囊胚也分別顯示出TET3 mRNA表達降低的趨勢和GCK啟動子區域高甲基化的狀態。這表明小鼠模型中的發現也有重要的臨床意義。
圖2. Tet3介導卵母細胞起源性成年疾病的工作模型
綜上所述，該研究以孕前高糖環境暴露為例，深入探討了卵母細胞TET3介導的子代遠期糖代謝受損的表觀遺傳機製，提示了卵母細胞發育時期是一個對環境敏感的窗口期，母源TET3的正常功能作用於父源基因組，進而決定子代健康。該項工作還提示我們：為降低子代出現慢性疾病的風險，將婦女基礎疾病的預防和篩查提前到孕前期，可能是預防人群中糖尿病等慢性病的重要策略。該研究拓寬了成人慢性疾病防控和生育管理提供了新思路，並奠定了重要的理論基礎。
同期Nature配發了瑞士弗裏德希-米斯科舍生物醫學研究所Antoine H. F. M. Peters的點評：“本研究發現了一種通過雌性生殖系傳遞子代表型的新機製，證實了高血糖使得卵子中TET3雙加氧酶的表達異常降低，阻礙了受精後對精子來源DNA的氧化去甲基化過程，進而導致了成年後代的代謝受損。”
美國科學院院士Marisa Bartolomei和美國國家生殖表觀基因學研究中心主任Wei Yang教授在生殖生物學Biology of Rreproduction雜誌上為該Nature文章撰寫亮點評論:“該研究不僅建立了妊娠期高血糖症對卵母細胞的表觀基因組產生不利影響與後代易患代謝紊亂之間的聯系，還揭示了潛在的機製。之前，這一假設從未得到驗證，更不用說調節的分子機製了。”
MK体育平台生殖與發育研究院、教育部生殖遺傳重點實驗室黃荷鳳院士和中科院分子細胞科學卓越創新中心及MK体育平台生物醫學研究院的徐國良院士為該論文的共同通訊作者。浙江大學醫學院陳賓博士、中科院分子細胞卓越中心杜雅蕊副研究員、MK体育平台生殖與發育研究院朱虹博士、中科院分子細胞卓越中心孫美玲博士和博士研究生王超為該文的共同第一作者。該工作還得到了浙江大學醫學院盛建中教授、英國阿爾斯特大學Peter R Flatt教授等的大力支持和幫助。
1. Aizer A, Currie J. The intergenerational transmission of inequality: Maternal disadvantage and health at birth. Science 2014, 344(6186): 856-861.
2. Ding GL, Wang FF, et al. Transgenerational Glucose Intolerance With Igf2/H19
Epigenetic Alterations in Mouse Islet Induced by Intrauterine Hyperglycemia. Diabetes 2012, 61:1133-1142
3. federation Id. IDF Diabetes Atlas., 9 edn. International Diabetes Federation: Brussels, Belgium, 2021.
4. Gu TP, Guo F, Yang H, Wu HP, Xu GF, Liu W, et al. The role of Tet3 DNA dioxygenase in epigenetic reprogramming by oocytes. Nature 2011, 477(7366): 606-610.
