單細(xì)胞甲基化多組學(xué)分析揭示哺乳期母體低蛋白飲食對子代的跨代傳遞
環(huán)境因素如飲食和生活方式，可以影響哺乳期母體及其子代的健康，但其跨代傳遞及潛在機(jī)制尚不清楚。研究表明，父母的飲食模式和生活方式可以影響子代的健康；同時(shí)大量研究表明孕產(chǎn)婦營養(yǎng)狀況與子代健康之間存在相關(guān)性。母乳中的生物活性物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)支持嬰兒的免疫發(fā)育和身體生長。而母體蛋白質(zhì)營養(yǎng)不良、西方飲食、高纖維未加工飲食、高糖飲食和低纖維飲食等已被證明可以影響子代表型，這與健康和疾病發(fā)育起源（DOHaD）的假設(shè)一致。盡管親本飲食對子代的影響已被廣泛研究，但其潛在機(jī)制和跨代傳遞知之甚少。
DNA甲基化在生殖細(xì)胞特異性、成熟和早期發(fā)育中起著至關(guān)重要的作用。在雌性生殖細(xì)胞中，DNA甲基化發(fā)生在出生后，并持續(xù)到青春期，且DNA甲基化可以在哺乳動(dòng)物中跨代傳遞。DNA甲基化易受環(huán)境因素影響，父體低蛋白飲食可以誘導(dǎo)精子DNA低甲基化，而子宮內(nèi)營養(yǎng)不良則擾亂卵母細(xì)胞和精子甲基化。母體高脂飲食影響卵母細(xì)胞DNA甲基化，產(chǎn)前饑荒也會影響與生長和代謝疾病相關(guān)基因的DNA甲基化狀態(tài)。但目前尚不清楚哺乳期母體飲食如何影響子代健康。
近日，中國科學(xué)院動(dòng)物研究所顧林艦博士為第一作者、廣東省第二人民醫(yī)院孫青原教授為通訊作者在《Journal of Genetics and Genomics》（JGG）期刊發(fā)表題為“The transgenerational effects of maternal low-protein diet during lactation on offspring“的研究成果，該研究使用母體哺乳期低蛋白飲食（LPD）的小鼠模型，研究LPD飲食如何通過卵母細(xì)胞的DNA甲基化變化及其基因調(diào)控等表觀遺傳影響子代的生存、生長、繁殖能力以及代謝健康，并探討其跨代傳遞的潛在機(jī)制。
標(biāo)題：The transgenerational effects of maternal low-protein diet during lactation on offspring（哺乳期母體低蛋白飲食對子代的影響）
期刊：《Journal of Genetics and Genomics》（JGG）
影響因子： IF 6.6
技術(shù)平臺：scRRBS、scRNA-seq（Smart-Seq2）、16s等
本研究利用母體哺乳期低蛋白飲食（LPD）小鼠模型，展示了母體LPD在哺乳期會導(dǎo)致存活率下降和生長遲緩，顯著減少排卵和窩仔大小，并改變雌性LPD子代的新陳代謝、腸道微生物組和卵母細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組。LPD-F1中期II（MII）卵母細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序分析結(jié)果表明，差異表達(dá)基因在女性妊娠和多個(gè)代謝過程中富集。母體LPD導(dǎo)致早期生長遲緩并損害代謝健康，這些影響可以傳遞超過兩代。研究還利用采用單細(xì)胞簡化基因組亞硫酸鹽測序 （scRRBS）來分析LPD和LPD-F1卵母細(xì)胞甲基化模式變化部分可以傳遞給F2卵母細(xì)胞，闡明哺乳期間母體營養(yǎng)如何影響子代的生殖細(xì)胞 DNA 甲基化，從而探索跨代傳遞機(jī)制。總之，本研究結(jié)果揭示了LPD在哺乳期通過卵母細(xì)胞表觀遺傳變化跨代傳遞影響子代健康。
研究方法：
本研究使用母體哺乳期低蛋白飲食（LPD）小鼠模型，研究哺乳期母體LPD對子代發(fā)育和代謝的影響。研究中，LPD-F0雌鼠在哺乳期間體重低于對照飲食（CD）-F0。通過檢測F1和F2代小鼠的體重變化、繁殖能力、葡萄糖耐量和胰島素耐量，以及對F1代成年雌性卵母細(xì)胞進(jìn)行單細(xì)胞RNA測序（scRNA-seq）和單細(xì)胞簡化基因組重亞硫酸鹽測序（scRRBS）分析，研究母體LPD對卵母細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組和甲基化模式的影響。
研究結(jié)果
研究發(fā)現(xiàn)，母體LPD在哺乳期會導(dǎo)致F1代和F2代子代生長遲緩、存活率降低和繁殖能力下降。F1代雌性子代的窩仔數(shù)減少，自然排卵數(shù)量減少。F2代雖然出生體重正常，但在早期體重增長緩慢。此外，母體LPD還導(dǎo)致子代代謝健康受損，這種影響在兩代中都有所體現(xiàn)。F1代卵母細(xì)胞的甲基化模式發(fā)生顯著變化，這些變化部分可以傳遞給F2代卵母細(xì)胞。研究表明，哺乳期母體LPD通過卵母細(xì)胞的表觀遺傳變化，對子代健康產(chǎn)生跨代傳遞。這些發(fā)現(xiàn)揭示了母體飲食與子代健康之間的潛在分子聯(lián)系，并為進(jìn)一步研究提供了新的視角。
（1）哺乳期的母體低蛋白飲食影響子代健康。
圖1：哺乳期母體低蛋白飲食（LPD）影響子代的發(fā)育和繁殖。
A：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。
B：斷奶時(shí)CD-F1或LPD-F1的存活率。
C：F1雌性子代的體重軌跡（n CD_F1=13, n LPD_F1=12）。
D：F1子代的窩仔大小。
E：F1子代的自然排卵。
F：F2子代的出生體重。
G：F2雌性子代的體重軌跡（n CD_F2=12, n LPD_F2=10）。
H：F2子代的窩仔大小。
I：F3子代的出生體重。
（2）哺乳期母體低蛋白飲食（LPD）導(dǎo)致子代葡萄糖代謝紊亂
圖2：10周和20周齡LPD-F1和LPD-F2雌性子代的葡萄糖耐量試驗(yàn)（GTT）和胰島素耐量試驗(yàn)（ITT）。
（3）成年雌性F1子代的腸道微生物組變化。
圖3：成年LPD-F1子代（12周齡，n=8）的糞便微生物組變化。
（4）LPD-F1卵母細(xì)胞中的全基因組高甲基化。
圖5：LPD-F1卵母細(xì)胞中的差異甲基化區(qū)域（DMRs）分析。
A：LPD-F1卵母細(xì)胞中低甲基化和高甲基化DMRs比例。
B：DMRs在不同染色體上的分布。
C：餅圖顯示不同基因組區(qū)域中DMRs的分布。
D-E：啟動(dòng)子區(qū)高甲基化基因（D）和低甲基化基因（E）的GO分析。
F-H：維恩圖表示不同甲基化基因與差異表達(dá)基因（DEGs，F(xiàn)）、高甲基化基因與下調(diào)基因（G）以及低甲基化基因與上調(diào)基因（H）之間的重疊。
DMRs，差異甲基化區(qū)域；GO，基因本體論；CGI，CpG島；LINEs，長散在核元件；LTRs，長末端重復(fù)序列；SINEs，短散在核元件。
（5）F1代卵母細(xì)胞中變化的DNA甲基化部分傳遞給F2代卵母細(xì)胞。
圖6：LPD-F2卵母細(xì)胞中的差異甲基化區(qū)域（DMRs）分析。
A：LPD-F2卵母細(xì)胞中低甲基化和高甲基化DMRs比例。
B：DMRs在不同染色體上的分布。
C：餅圖顯示不同基因組區(qū)域中DMRs分布。
D：維恩圖展示LPD-F1高甲基化基因與LPD-F2高甲基化基因的重疊。
E：維恩圖展示LPD-F1低甲基化基因與LPD-F2低甲基化基因的重疊。
F：LPD-F1與LPD-F2之間重疊高甲基化基因的GO分析。
參考文獻(xiàn)：
Gu LJ, Li L, Li QN, Xu K, Yue W, Qiao JY, Meng TG, Dong MZ, Lei WL, Guo JN, Wang ZB, Sun QY. The transgenerational effects of maternal low-protein diet during lactation on offspring. J Genet Genomics. 2024 Apr 22. pii: S1673-8527(24)00079-1. doi: 10.1016/j.jgg.2024.04.008. PubMed PMID: 38657948.
DNA甲基化在生殖細(xì)胞特異性、成熟和早期發(fā)育中起著至關(guān)重要的作用。在雌性生殖細(xì)胞中，DNA甲基化發(fā)生在出生后，并持續(xù)到青春期，且DNA甲基化可以在哺乳動(dòng)物中跨代傳遞。DNA甲基化易受環(huán)境因素影響，父體低蛋白飲食可以誘導(dǎo)精子DNA低甲基化，而子宮內(nèi)營養(yǎng)不良則擾亂卵母細(xì)胞和精子甲基化。母體高脂飲食影響卵母細(xì)胞DNA甲基化，產(chǎn)前饑荒也會影響與生長和代謝疾病相關(guān)基因的DNA甲基化狀態(tài)。但目前尚不清楚哺乳期母體飲食如何影響子代健康。
近日，中國科學(xué)院動(dòng)物研究所顧林艦博士為第一作者、廣東省第二人民醫(yī)院孫青原教授為通訊作者在《Journal of Genetics and Genomics》（JGG）期刊發(fā)表題為“The transgenerational effects of maternal low-protein diet during lactation on offspring“的研究成果，該研究使用母體哺乳期低蛋白飲食（LPD）的小鼠模型，研究LPD飲食如何通過卵母細(xì)胞的DNA甲基化變化及其基因調(diào)控等表觀遺傳影響子代的生存、生長、繁殖能力以及代謝健康，并探討其跨代傳遞的潛在機(jī)制。
標(biāo)題：The transgenerational effects of maternal low-protein diet during lactation on offspring（哺乳期母體低蛋白飲食對子代的影響）
期刊：《Journal of Genetics and Genomics》（JGG）
影響因子： IF 6.6
技術(shù)平臺：scRRBS、scRNA-seq（Smart-Seq2）、16s等
本研究利用母體哺乳期低蛋白飲食（LPD）小鼠模型，展示了母體LPD在哺乳期會導(dǎo)致存活率下降和生長遲緩，顯著減少排卵和窩仔大小，并改變雌性LPD子代的新陳代謝、腸道微生物組和卵母細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組。LPD-F1中期II（MII）卵母細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序分析結(jié)果表明，差異表達(dá)基因在女性妊娠和多個(gè)代謝過程中富集。母體LPD導(dǎo)致早期生長遲緩并損害代謝健康，這些影響可以傳遞超過兩代。研究還利用采用單細(xì)胞簡化基因組亞硫酸鹽測序 （scRRBS）來分析LPD和LPD-F1卵母細(xì)胞甲基化模式變化部分可以傳遞給F2卵母細(xì)胞，闡明哺乳期間母體營養(yǎng)如何影響子代的生殖細(xì)胞 DNA 甲基化，從而探索跨代傳遞機(jī)制。總之，本研究結(jié)果揭示了LPD在哺乳期通過卵母細(xì)胞表觀遺傳變化跨代傳遞影響子代健康。
研究方法：
本研究使用母體哺乳期低蛋白飲食（LPD）小鼠模型，研究哺乳期母體LPD對子代發(fā)育和代謝的影響。研究中，LPD-F0雌鼠在哺乳期間體重低于對照飲食（CD）-F0。通過檢測F1和F2代小鼠的體重變化、繁殖能力、葡萄糖耐量和胰島素耐量，以及對F1代成年雌性卵母細(xì)胞進(jìn)行單細(xì)胞RNA測序（scRNA-seq）和單細(xì)胞簡化基因組重亞硫酸鹽測序（scRRBS）分析，研究母體LPD對卵母細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組和甲基化模式的影響。
研究結(jié)果
研究發(fā)現(xiàn)，母體LPD在哺乳期會導(dǎo)致F1代和F2代子代生長遲緩、存活率降低和繁殖能力下降。F1代雌性子代的窩仔數(shù)減少，自然排卵數(shù)量減少。F2代雖然出生體重正常，但在早期體重增長緩慢。此外，母體LPD還導(dǎo)致子代代謝健康受損，這種影響在兩代中都有所體現(xiàn)。F1代卵母細(xì)胞的甲基化模式發(fā)生顯著變化，這些變化部分可以傳遞給F2代卵母細(xì)胞。研究表明，哺乳期母體LPD通過卵母細(xì)胞的表觀遺傳變化，對子代健康產(chǎn)生跨代傳遞。這些發(fā)現(xiàn)揭示了母體飲食與子代健康之間的潛在分子聯(lián)系，并為進(jìn)一步研究提供了新的視角。
（1）哺乳期的母體低蛋白飲食影響子代健康。
圖1：哺乳期母體低蛋白飲食（LPD）影響子代的發(fā)育和繁殖。
B：斷奶時(shí)CD-F1或LPD-F1的存活率。
C：F1雌性子代的體重軌跡（n CD_F1=13, n LPD_F1=12）。
D：F1子代的窩仔大小。
E：F1子代的自然排卵。
F：F2子代的出生體重。
G：F2雌性子代的體重軌跡（n CD_F2=12, n LPD_F2=10）。
H：F2子代的窩仔大小。
I：F3子代的出生體重。
（2）哺乳期母體低蛋白飲食（LPD）導(dǎo)致子代葡萄糖代謝紊亂
圖2：10周和20周齡LPD-F1和LPD-F2雌性子代的葡萄糖耐量試驗(yàn)（GTT）和胰島素耐量試驗(yàn)（ITT）。
（3）成年雌性F1子代的腸道微生物組變化。
圖3：成年LPD-F1子代（12周齡，n=8）的糞便微生物組變化。
（4）LPD-F1卵母細(xì)胞中的全基因組高甲基化。
圖4：LPD-F1卵母細(xì)胞中的整體DNA高甲基化
圖5：LPD-F1卵母細(xì)胞中的差異甲基化區(qū)域（DMRs）分析。
B：DMRs在不同染色體上的分布。
C：餅圖顯示不同基因組區(qū)域中DMRs的分布。
D-E：啟動(dòng)子區(qū)高甲基化基因（D）和低甲基化基因（E）的GO分析。
F-H：維恩圖表示不同甲基化基因與差異表達(dá)基因（DEGs，F(xiàn)）、高甲基化基因與下調(diào)基因（G）以及低甲基化基因與上調(diào)基因（H）之間的重疊。
DMRs，差異甲基化區(qū)域；GO，基因本體論；CGI，CpG島；LINEs，長散在核元件；LTRs，長末端重復(fù)序列；SINEs，短散在核元件。
（5）F1代卵母細(xì)胞中變化的DNA甲基化部分傳遞給F2代卵母細(xì)胞。
圖6：LPD-F2卵母細(xì)胞中的差異甲基化區(qū)域（DMRs）分析。
B：DMRs在不同染色體上的分布。
C：餅圖顯示不同基因組區(qū)域中DMRs分布。
D：維恩圖展示LPD-F1高甲基化基因與LPD-F2高甲基化基因的重疊。
E：維恩圖展示LPD-F1低甲基化基因與LPD-F2低甲基化基因的重疊。
F：LPD-F1與LPD-F2之間重疊高甲基化基因的GO分析。
參考文獻(xiàn)：
Gu LJ, Li L, Li QN, Xu K, Yue W, Qiao JY, Meng TG, Dong MZ, Lei WL, Guo JN, Wang ZB, Sun QY. The transgenerational effects of maternal low-protein diet during lactation on offspring. J Genet Genomics. 2024 Apr 22. pii: S1673-8527(24)00079-1. doi: 10.1016/j.jgg.2024.04.008. PubMed PMID: 38657948.
標(biāo)簽：
DNA甲基化
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- 游離細(xì)胞DNA（cfDNA）檢測整體研究方案及其應(yīng)用案例
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