父亲应激对子代糖代谢的调控作用及机制研究

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目的:  当今社会,随着经济水平的发展,生活方式的转型,焦虑、紧张、抑郁等心理压力与应激日益频繁,已严重危害人类健康。大量人群流行病学研究表明,心理应激(Psychological stress)与多个疾病的发生发展密切相关,如神经退行性疾病、心血管疾病、肿瘤、2型糖尿病等。此外,近年来的研究表明,母亲的心理应激,尤其是妊娠期间的应激,可导致子代肥胖和高血糖的发生。但父亲的心理应激,能否影响或调控子代的糖代谢情况,目前尚无文献报道。因此,本研究利用C57BL/6小鼠模型,试图探讨父亲应激对子代糖代谢的调控作用及分子机制。  方法:  1.父亲应激模型的建立:将8周龄C57BL/6雄性小鼠置于50 ml离心管中(Restraint stress),每天2小时,持续2周(Stress-F0)。对照组小鼠(Control-F0)在此期间,自由摄食、饮水与活动。2周后,将两组小鼠分别与正常 C57BL/6雌鼠交配。48小时后,留取雌鼠单笼饲养,以排除雄鼠影响,进而获得子代小鼠(Control-F1,Stress-F1)。  2.子代糖代谢指标检测:分别检测两组子代小鼠的血糖水平,并进行葡萄糖、胰岛素、丙酮酸耐量实验,同时监测小鼠的体重、进食量、氧耗、活动度、血压等其他代谢指标。  3.子代糖代谢基因表达检测:通过实时定量PCR(Q-PCR)和蛋白免疫印迹(Western blot)实验,检测两组小鼠糖异生关键酶(PEPCK、G6Pase)的表达水平。  4.分子机制研究:  a:对两组小鼠的肝脏进行MicroRNA表达谱芯片分析,以期筛选出对肝脏糖异生基因特异性调控的MicroRNA,进而验证MicroRNA的调控作用;  b:检测两组小鼠MicroRNA启动子区的甲基化水平,进一步检测父代小鼠精子该MicroRNA启动子区的甲基化水平;  c:体外受精-胚胎移植(IVF-ET):为了排除母亲的影响,我们将来自同一供体雌鼠的卵子分别与两组父代小鼠的精子共培养,获得的两组胚胎分别移植入同一受体雌鼠的两侧子宫,并检测E16.5天胎肝靶基因的启动子甲基化水平;  d:检测启动子区域甲基化改变对关键转录因子结合以及组蛋白修饰的影响,以期明确DNA甲基化导致基因表达变化的内在机制。  5.探讨糖皮质激素在父亲应激导致子代糖代谢改变中的作用:  a:给予应激小鼠糖皮质激素受体拮抗剂-RU486处理,检测父亲精子甲基化改变、子代小鼠糖代谢表型;  b:给予雄性小鼠糖皮质激素类似物-地塞米松处理,探讨父亲精子甲基化改变、子代小鼠糖代谢表型。  结果:  1.与Control-F1小鼠相比,Stress-F1小鼠表现为血糖升高,丙酮酸耐量实验表明肝脏糖异生和肝糖输出能力增强,而葡萄糖和胰岛素耐量实验表明胰岛素敏感性未受影响。此外,两组小鼠其他代谢指标均无明显改变。  2.Stress-F1小鼠肝脏PEPCK的蛋白水平显著增加,而mRNA无明显改变,提示PEPCK的表达可能受到转录后水平的调节,而另一糖异生关键酶–G6Pase的mRNA和蛋白水平均无改变。  3.MicroRNA表达谱芯片结合Q-PCR验证,筛选出调节PEPCK表达的一个MicroRNA,即:miR-466b-3p的表达在Stress-F1小鼠肝脏中显著下调。  4.荧光素酶报告基因等体内外实验证实:miR-466b-3p可结合在PEPCK基因3’-非翻译区(3’-UTR),抑制 PEPCK的蛋白表达,从而调控葡萄糖产生能力。  5.Stress-F1组小鼠肝脏及父代小鼠精子中miR-466b-3p启动子区甲基化程度增强,从而下调其表达。  6.IVF-ET结果表明E16.5天胎鼠肝脏miR-466b-3p启动子区甲基化增强,从而排除了母亲的可能影响。  7.miR-466b-3p启动子区甲基化程度增强,导致关键转录因子NRF2结合能力锐减以及抑制性的组蛋白修饰(H3K9和H3K27)富集,最终导致 miR-466b-3p的表达降低。  8.给予糖皮质激素受体拮抗剂-RU486可以逆转应激所致的精子甲基化改变和子代糖代谢异常。  9.地塞米松可模拟应激所致的精子甲基化改变和子代糖代谢异常。  结论:  父代小鼠处于应激状态时,糖皮质激素水平激增,导致精子中miR-466b-3p启动子区域的甲基化程度增强,并遗传至子代小鼠肝脏,下调该miRNA的表达,从而上调PEPCK的蛋白水平,促进肝脏糖异生和肝糖输出,导致子代小鼠高血糖的发生。因此,通过本研究的深入开展,进一步证实了环境因素介导的跨代遗传调控作用,有助于深入研究配子/胚胎源性的成人疾病,对于2型糖尿病等相关代谢性疾病的病理生理机制和预防诊治都具有重要意义。
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