环境因素在生殖细胞发生和胚胎早期发育过程中对子代远期健康的影响及机制

  • 发布时间:2019-11-07
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  • 作者: 刘超 崔琳琳 等 妇产科空间 2019-11-07
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摘  要

近年来临床研究及动物实验均证实,成年期心血管和代谢性疾病、过敏性疾病、神经功能损害等远期慢性疾病的发生可追溯到生命起源时期。从配子生成至胚胎着床前的时期,是生命早期发育的重要阶段。在这一时期,环境因素的改变可对生殖细胞、受精卵和胚胎的形态改变、基因重组、表观遗传学修饰及代谢等过程造成影响,并可进一步对子代的远期健康产生影响。本文从生殖细胞发生和胚胎早期发育两个阶段,综述环境因素对子代健康的远期影响及其潜在机制。


从生殖细胞发生至胚胎着床的整个阶段,包括卵母细胞减数分裂成熟、精子发生(spermatogenesis)、受精、卵裂、囊胚形成、胚胎孵化及着床,是生命早期发育的重要阶段。在这一阶段,生殖细胞、受精卵和胚胎均会发生形态、基因、表观遗传和代谢的变化。胚胎的早期发育阶段细胞数量少,具备全能性或多能性,环境因素对基因重组、表观遗传学修饰、能量代谢等过程的干扰可随着卵裂的进行而进入之后的分裂周期,最终不可逆地改变发育程序。这段时期具有一定的可塑性,既可使胚胎在适应环境的过程中受益,也可能产生对子代不利的远期影响。因此,健康和疾病的发育起源(DOHaD)学说提出,成年期的慢性疾病(包括心血管和代谢性疾病,如高血压、肥胖、2型糖尿病等)、过敏性疾病、神经功能损害等的起源均可追溯至发育早期。目前,DOHaD学说已被越来越多的流行病学及基础医学研究证实。本文从生殖细胞发生及胚胎早期发育两个阶段,综述环境因素的改变对子代远期健康的影响及其可能的机制。


一、生殖细胞发生阶段

(一)卵母细胞成熟


卵母细胞成熟(oocyte maturation)是指其减数分裂的过程。第1次减数分裂始于胎儿3个月时,初级卵母细胞在卵巢组织中经过漫长的过程,转变为次级卵母细胞;第2次减数分裂时间则较短,次级卵母细胞迅速度过分裂前期而停滞在分裂中期,经排卵后等待受精,最终在受精过程中完成第2次减数分裂。在卵母细胞成熟的最后阶段,母亲的营养状态及其年龄等因素会损伤卵母细胞的质量,进而可能改变胚胎发育。这种改变可持续整个妊娠期,甚至影响子代的远期健康。


1. 营养过剩:研究提示,超重和肥胖女性的卵母细胞较小,发育潜能较低;所形成的胚胎发育快,囊胚期滋养外胚层细胞数量少,葡萄糖摄取少[1]。子代则表现为一系列疾病的发生风险增高,包括肥胖及2型糖尿病等代谢性疾病、冠心病及卒中等心血管疾病、脑瘫等神经发育障碍,以及哮喘等过敏性疾病。其原因一方面可能是对卵母细胞的直接影响。动物实验发现,饮食诱导的营养过剩小鼠卵母细胞线粒体DNA合成增加,活性氧增多,谷胱甘肽耗尽,氧化还原状态平衡被打破,产生氧化应激[2],而活性氧的积累会通过线粒体和死亡受体通路引起卵巢组织中卵泡凋亡增加[3]。另有研究表明,高脂饮食可能与卵母细胞非整倍体性减数分裂有关[4]。另一方面原因则可能是卵泡液成分的改变,影响卵母细胞发育的微环境。肥胖女性的卵泡液中胰岛素、瘦素、C反应蛋白、乳酸、三酰甘油含量增加,性激素结合球蛋白水平降低[5⁃6],而高脂卵泡液可使卵母细胞脂质含量增加,内质网的应激标志物增加,卵母细胞核成熟受损[7]。


2. 营养不足:大型队列研究发现,围受孕期母亲如遭遇饥荒,子代成年期高血压等心血管疾病的风险增加[8]。给予雌性大鼠低蛋白饮食(low protein diet),子代会出现出生体重低和收缩压升高[9],并可造成子代雌性小鼠卵巢中原始卵泡的数量减少,影响子代的远期生育力[10]。即使缩短低蛋白饮食时间,仅在交配前(3.5 d)给予雌性小鼠低蛋白饮食,子代也会出现焦虑行为增加、收缩压升高[11]。机制研究提示,营养不足的绵羊卵母细胞体外受精后发育成桑葚胚和囊胚的数量减少,推测营养不足可造成卵母细胞质量下降[12]。表观遗传学修饰的变化可能发挥一定的作用,但具体机制目前并不明确。


3. 高龄:虽然目前也有极少数研究认为女性高龄与其子代远期的疾病发病率无显著相关性,但一般认为,高龄女性卵巢功能及生育力下降,自然流产率增加,辅助生殖技术治疗成功率较低,子代患先天性疾病的风险增加[13⁃14],子代可出现出生体重偏低。而出生体重与远期心血管疾病及代谢障碍相关。另有数据表明,高龄母亲的子代发生肥胖及自闭症的风险均增加。有研究发现,高龄女性卵母细胞在第1次减数分裂时姊妹染色单体会过早分离,异常减数分裂的概率增加;联会染色体的稳定性及纺锤体组装检查点的形成和稳定性也可能受到影响[15],因而高龄可降低卵母细胞质量,增加子代的患病风险。但目前关于高龄造成子代心血管或代谢等方面的远期影响的具体机制并不清楚。



(二)精子发生


精子发生是指从精原细胞形成高度分化精子的过程,包括有丝分裂、减数分裂和精子形成3个阶段。生精小管中,A型精原细胞通过有丝分裂产生的B型精原细胞分化为初级精母细胞;再经过减数分裂形成单倍体的圆形精子细胞;最后通过复杂的形态学变化以及核蛋白转型和修饰,形成成熟精子。精子发生的过程同样易受营养状态和年龄影响,并可传递给子代[16]。


1. 营养过剩:肥胖男性的伴侣临床妊娠率低、囊胚发育差、活产率低。而在子代远期健康方面,动物研究发现,雌性子代出现胰岛β细胞功能障碍、体重增加、糖耐量减低及胰岛素敏感性下降[17]。更严重的是,父亲肥胖还可跨代影响其孙代的代谢表型。其机制可能在于肥胖对精子质量的潜在影响。


前期研究结果提示,不同体质指数(BMI)男性中前向运动精子数有显著差异,高糖高脂饮食男性的精子运动力降低。精子DNA研究发现,男性BMI与精子DNA碎片指数呈正相关[18],而精子DNA断裂程度又与囊胚发育呈负相关[19]。此外,Bakos等[20]还发现,高脂饮食的雄性小鼠精子内活性氧水平升高,DNA损伤增加,精子活力下降,与卵母细胞的结合减少,推测DNA损伤的原因可能是氧化应激。但Tunc等[21]发现,精子内活性氧水平增加的幅度很小,且精子DNA完整性和精子活力并未随着活性氧的增加而降低。因此,这一机制尚存争议。另外,精子中包含多种RNA,高脂饮食小鼠雄性子代的精子中多种类型的小分子RNA丰度有改变。这些小分子RNA可随受精过程进入受精卵,对子代表型造成影响。将高脂饮食雄性小鼠精子中的小分子RNA注射入正常受精卵,早期胚胎出现代谢相关基因的表达改变,子代出现胰岛素分泌减少和糖耐量减低[22]。


2. 营养不足:研究表明,受精前父亲营养不良会影响子代的发育及代谢。动物实验发现,交配前7周给予雄性小鼠低蛋白饮食,子代可表现为血管功能障碍、糖耐量受损、胆固醇和脂质代谢改变[23⁃24];而减少雄性小鼠叶酸的摄入,其子代颅面部及肌肉骨骼畸形等出生缺陷增加[25]。这种影响最可能通过改变精子的遗传信息而传递给子代。van der Heijden等[26]发现,精子DNA中组蛋白甲基化后盘绕形成的核小体可随受精过程进入受精卵,并推测这些甲基化信息可被复制。而对叶酸摄入不足的雄性小鼠精子行DNA甲基化分析,发现了与发育、肿瘤、糖尿病、自闭症和精神分裂症等慢性疾病相关基因的甲基化差异[25]。这表明,父亲摄入的叶酸减少可通过改变精子DNA的甲基化,而对子代的远期健康产生影响。


3. 高龄:与女性相同,男性生育力、睾丸功能、精子数量和质量也随年龄增长而下降。关于父亲年龄与子代不良围产结局间的相关性,包括小于胎龄儿、死产、早产、低出生体重等有较多报道。高龄父亲的子代患肌肉骨骼综合征、腭裂、急性淋巴细胞性白血病、视网膜母细胞瘤、自闭症和精神分裂症等疾病的风险增加[27]。另外,动物实验发现,雄性小鼠高龄与其雄性子代的生殖健康相关。父亲高龄对子代结局的影响可能由抗氧化机制减弱、精子基因突变的累积等所致[28]。


二、胚胎早期发育阶段

精卵相遇后形成受精卵并开始卵裂,经过4细胞、8细胞及桑葚胚阶段,细胞数量逐步增多并呈有序排列。细胞达到一定数量后小的腔隙融合,形成囊胚。此时胚胎细胞分化出滋养层和内细胞团。囊胚继续增长、变大,从透明带中脱出,并植入母体蜕膜,称为着床。这段时期暴露于环境的变化或刺激因素,可能会影响胚胎的发育轨迹,进而导致子代新生儿期、儿童期乃至成年期的表型变化。


1. 母亲营养状态的变化:母体环境与早期胚胎相互影响,相互关联。有研究认为,囊胚着床前,可通过哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物1(mammalian target of rapamycin complex 1,mTORC1)信号通路感知母体的营养状态,即游离支链氨基酸和胰岛素的水平,激活代偿机制,永久性地改变囊胚各胚层的发育模式,包括刺激滋养细胞增殖,使着床时侵袭子宫内膜更深[29];增强卵黄囊胎盘对母体蛋白的胞吞作用以加强营养[30];以及改变胚胎的表观遗传学机制[31];并在随后的妊娠阶段加强从母体的营养获取。动物实验证实,仅在胚胎着床前(交配后0~4.25 d)给予雌性小鼠低蛋白饮食,其血液中葡萄糖水平升高,胰岛素及游离支链氨基酸的水平降低,宫腔液中游离支链氨基酸水平也降低,子代表现为低出生体重及高血压[32]。受孕前后母亲的营养过剩也可影响新鲜胚胎的基因表达,加重玻璃化冷冻对胚胎的损害,并改变子代的心血管、代谢及神经系统发育。


2. 母体的炎症反应:Williams等[33]通过腹腔注射脂多糖建立炎症小鼠模型并使其交配,结果发现,受孕后胚胎内细胞团细胞数量减少;出生的雄性子代活动减少,BMI增加;雌性子代先天性免疫受抑制,且抑制程度与母体脂多糖的浓度有关。因此推测,着床前胚胎对母体的炎症反应敏感,出生后的远期行为、代谢和先天性免疫反应也会受到影响。


3. 体外培养环境对胚胎早期发育的影响:胚胎体外培养是辅助生殖技术的重要环节,有研究认为,这一过程中的多种因素,包括体外培养基成分、体外培养时长及胚胎冻融,均可能会对子代造成远期影响。


Sjöblom等[34]发现,在体外培养环境缺乏粒细胞⁃巨噬细胞集落刺激因子时,胚胎生长受限,子代成年期体重和脂肪含量增加;而添加该因子,可移植胚胎数、活产率及胎盘滋养层表面积增加,成年期肥胖有所改善。Rexhaj等[35]的研究表明,在培养基中加入褪黑素可预防子代小鼠的血管功能障碍和动脉高压。


对于移植时期的选择,目前并无统一定论,一般选择8细胞卵裂球期胚胎或囊胚期胚胎。囊胚移植相比于卵裂球移植,暴露于体外培养环境的时间延长,也可能因此影响子代的远期健康。研究发现,囊胚移植时出现大于胎龄儿、早产(孕周<37周)、极早产(孕周<32周)及出生缺陷的风险较高,且子代出生体重增加。而出生体重又与成年期代谢性疾病的风险相关,提示其远期代谢性疾病的风险可能增加。


胚胎冷冻是辅助生殖技术的核心环节之一,可减少取卵手术次数,降低卵巢过度刺激的风险,保存生育力。冷冻方法有传统慢速冷冻法和玻璃化冷冻法两种,后者因胚胎完整性及复苏率高,且成本低、易操作,得到了广泛应用。但有研究发现,玻璃化冷冻技术仍会降低胚胎的生存能力及发育潜力[36⁃37],增加大于胎龄儿及高出生体重儿的风险[38],并可影响儿童期身高及血液代谢指标等表型[39]。目前,冻胚对子代远期健康的影响尚存争议。


综上所述,现有的证据表明,环境因素会在生殖细胞发生和胚胎早期发育的整个过程中对子代的远期健康造成影响,但机制尚不完全明确。未来应通过基础研究深入探索这一时期的影响因素和作用机制,并结合大样本量长随访时限的队列研究验证其远期影响,以充分认识并预防胎源性疾病的发生。