发育源性糖尿病研究取得重大突破！黄荷凤院士/徐国良院士团队研究成果刊登Nature

这项研究首次揭示了卵子源性成人糖尿病的表观遗传机制，为胚胎源性疾病机制的探索提供了新的思路和视角，更将成人慢性疾病防控关口前移至配子期，为相关疾病干预提供了新策略。

点评：Antoine H. F. M. Peters(瑞士弗里德希-米斯科舍生物医学研究所教授)、Marisa Bartolomei(美国科学院院士)、闫威(美国国家生殖表观基因学研究中心主任)、管敏鑫(浙江大学遗传学研究所所长)

DOHaD学说(健康和疾病的发育起源，Developmental Origins of Health and Disease)最早于上世纪八十年代由英国Barker教授提出。基于该理论，糖尿病、心血管疾病等许多成人疾病是由宫内(胚胎-胎儿期)的不良环境暴露所造成的，因此，孕期的健康管理被认为是至关重要的。黄荷凤院士领衔的研究团队在近20年多项ART子代队列研究中，发现子代存在成年性疾病的卵子/精子/胚胎起源性，提出“配子/胚胎源性疾病”的理论假说，将成年性疾病关注点前移至配子和胚胎发生期。

糖尿病是影响人类健康的主要慢病之一，发生率高且发病隐匿，全世界范围内约有2/5的糖尿病妇女处于育龄期，以孕前糖尿病为例，糖尿病女性在孕前是否已经将异常环境记忆印入卵母细胞?通过卵母细胞影响子代远期健康?

近日，教育部生殖遗传重点实验室(浙江大学)主任、浙江大学医学院附属妇产科医院名誉院长黄荷凤院士课题组和中国科学院分子细胞科学卓越创新中心的徐国良院士团队在配子/胚胎源性疾病方面的研究又取得了重要新发现，于2022年5月18日在Nature在线发表了题为Maternal inheritance of glucose intolerance through oocyte Tet3 insufficiency的原创性研究成果，对上述问题进行了解答。首次揭示了卵子源性成人糖尿病的表观遗传机制，为胚胎源性疾病机制的探索提供了新的思路和视角，更将成人慢性疾病防控关口前移至配子期，为相关疾病干预提供了新策略。同期Nature配发了瑞士弗里德希-米斯科舍生物医学研究所Antoine H. F. M. Peters教授对该项研究成果的点评：“本研究发现了一种通过雌性生殖系传递子代表型的新机制，证实了高血糖导致卵母细胞中TET3的表达异常降低，阻碍合子中精子来源DNA的氧化去甲基化过程，进而导致子代成年后的代谢受损表型。”

卵子：介导糖尿病跨代遗传

黄荷凤院士研究团队早期发现，孕期宫内或父亲孕前高糖、高脂等因素暴露能够改变DNA甲基化诱发子代出现代谢异常。为进一步研究雌性配子在发育源性疾病中的作用，研究团队建立了链脲佐菌素诱导的高血糖小鼠模型，取出高血糖小鼠卵母细胞与正常雄鼠精子进行体外受精和形成早期胚胎，将胚胎植入正常代孕母鼠宫内发育，排除孕期和产后高糖环境干扰。子代表型监测发现，子一代(F1)小鼠糖耐量受损，主要表现为胰岛素分泌不足，而子二代(F2)小鼠监测未出现明显的糖耐量异常(图一)。

图一：实验设计和子代主要表型结果

Tet3：卵子源性糖尿病遗传的关键分子

为找寻卵母细胞介导跨代效应的关键分子，研究人员以表观遗传机制为突破口，进一步研究发现高血糖小鼠卵母细胞中母源性效应的DNA去甲基化酶Tet3(tet methylcytosine dioxygenase 3)表达下降。合作团队徐国良院士课题组既往研究已明确Tet3在卵细胞重编程中的作用，基于徐国良院士研究成果本研究发现高血糖小鼠来源的卵母细胞体外受精后，受精卵的雄原核中Tet3表达下降，基因组甲基化水平改变。子代胎鼠胰岛全基因组甲基化测序显示，与胰岛素分泌相关的重要限速酶葡萄糖激酶(Gck，Glucokinase)启动子区DNA甲基化水平升高，进而导致Gck表达量下降。卵母细胞中特异性敲除Tet3基因后，其子代小鼠也出现Gck启动子区域高甲基化和表达量下降及糖耐量异常的表型。而在高血糖小鼠卵母细胞中补充Tet3可以很大程度恢复囊胚甲基化水平和子代糖耐量受损表型(图二)。说明Tet3是高血糖卵子介导的跨代糖尿病发病中的关键表观遗传调控因子。

父本基因：高糖卵子代谢印记子代传递的介导者

为验证子代的甲基化谱式改变的来源和可继承性，课题组以目标基因Gck为例，发现Gck启动子的高甲基化最早来源于受精卵的雄原核，并随着发育能持续到子代成年小鼠胰岛中。进一步区分Gck基因高甲基化的父母本来源发现，在囊胚和子代小鼠胰岛中，胰岛素分泌基因都呈现父本特异性高甲基化。这一结果揭示了高血糖暴露后，胰岛素分泌基因的高甲基化来源于父本基因组，并且传递到子代。

应用前景：糖尿病患者卵子中出现同样表型

更值得关注的是，糖尿病患者GV期卵母细胞和囊胚也分别显示出Tet3表达降低的趋势和Gck启动子区高甲基化的状态(图三)，这提示研究团队在小鼠模型中的发现有类推至糖尿病患者的可能性，具有广阔的临床应用前景。

综上，该研究实现了发育源性成人疾病研究的重大突破，首次创新性运用体外受精-胚胎移植技术在排除孕期暴露干预效应后，发现卵子亦可作为传递载体，将生命早期的环境印记在Tet3的介导下以表观遗传的方式传递给子代，引发子代远期健康风险。研究结论为成人慢性病发病和干预提供了崭新科学思路，也为孕前优生指导、出生缺陷防控和提高出生人口质量提供了新的诊治模式。

该研究的第一作者单位和主通讯作者的第一单位均是教育部生殖遗传重点实验室(浙江大学)，研究得到国家科技部重点专项、国家自然科学基金、中国医学科学院研究创新单元等资助。教育部生殖遗传重点实验室(浙江大学)陈宾博士、中科院分子细胞卓越中心杜雅蕊副研究员、复旦大学附属妇产科医院朱虹博士、中科院分子细胞卓越中心孙美玲博士和博士研究生王超为该文的共同第一作者。该工作还得到了浙江大学盛建中教授、英国阿尔斯特大学Peter R Flatt教授的大力支持和帮助。

黄荷凤院士领衔的研究团队多年来深耕 “配子/胚胎源性疾病”的理论研究，通过多种慢病动物模型研究，证实表观遗传标记可通过配子/胚胎进行传递，为发育源性疾病配子/胚胎起源提供佐证，将成年性疾病关注点前移至配子和胚胎发生期，为人类疾病源头防控开辟了新的研究途径，其专著Gamete and Embryo-Fetal Origins of Adult Diseases受到国际学术界广泛关注。该工作也是黄荷凤院士课题组继Diabetes、BMC Med、J Pineal Res、J ALLERGY CLIN IMMUN、EBioMedicine、J Clin Endocrinol Metab等在胚胎源性疾病的流行病学研究和发病机制等多项成果后的又一重要发现。

专家点评

闫威 教授(美国国家生殖表观基因学研究中心主任，生殖遗传领域专家)

作为现代社会最常见的代谢性疾病之一，糖尿病的发病率居高不下，已成为世界上危害最大的公共健康问题。糖尿病妇女如果孕期血糖控制不好，不但会影响胎儿的正常发育，还会大大增加子代疾病的易感性。然而，女性孕前高血糖是否也会对子代的健康前景产生负面影响仍然是个悬而未解之谜。黄荷凤院士团队和徐国良院士团队合作的这个工作首次证实了女性孕前高血糖的确可以导致子代糖耐量受损。这项研究不仅证实了孕前高血糖症可以导致子代葡萄糖不耐受，更首次揭示了潜在的分子机理，即直接下调控制DNA去甲基化的关键酶(如TET3)导致受精后父本基因组去甲基化的障碍，造成众多调控胰岛素分泌基因的高甲基化和表达紊乱。值得指出的是，尽管糖不耐受的表型是由于表观基因变异即DNA高甲基化导致的，但这种疾病表型似乎只能代内(Intergenerational)传递，而不能跨代 (Transgenerational)遗传，很可能是由于在二代及以后的受精卵中TET3水平是正常的。总而言之，这是一项具有里程碑意义的研究，对今后研究环境或饮食导致的代谢性疾病以及其他后天获得性性状(acquired traits)的代内和跨代遗传(intergenerational and transgenerational inheritance)，以及研究通过干预受精卵重编程来纠正表观基因变异及其所致疾病的可行性都具有重大指导意义。

基于上述对该项研究成果的高度关注与认可，闫威教授联合美国科学院院士Marisa Bartolomei教授在Biology of Reproduction杂志上为该NATURE文章撰写亮点评论:“研究建立了妊娠前高血糖对卵母细胞表观基因组的不利影响与子代发生代谢紊乱高风险之间的联系，还揭示了潜在的机制。之前，这一假设从未得到验证，更不用说调节的分子机制了。”

管敏鑫(浙江大学遗传学研究所所长，遗传学领域专家)

DOHaD学说自国内推广以来有多项研究成果已证实女性孕期宫内高糖环境可致子代糖尿病/肥胖/心血管疾病风险增加。黄荷凤院士基于 “配子/胚胎源性疾病”理论，独辟蹊径，提出女性卵母细胞可作为介导孕前高糖环境暴露致子代相关健康风险的媒介的科学假说，并与同样毕业于浙江大学的国内表观遗传学和发育生物学领域的学科带头人徐国良院士联合攻关，优势互补的合作模式值得同行借鉴。这是一项具有里程碑意义的原创性研究，既是黄荷凤院士在“配子/胚胎源性疾病”研究领域的延伸与深入，也为研究环境或饮食导致的代谢性疾病以及其他后天获得性性状的代内和跨代遗传开辟了新的研究方向。

该研究利用体外受精的方式获得高糖环境暴露的卵母细胞的胚胎，并进一步通过将胚胎移植到代孕雌鼠而得到子代。巧妙地避免了既往研究中无法排除孕期宫内高糖环境暴露这一干扰因素，特异性地研究孕前高血糖对子代健康的影响。此外，以表观遗传为切入点，在小鼠卵母细胞、囊胚及子代胰岛中全链条溯源追踪关键调控因子TET3的表达改变及其造成的胰岛素分泌相关因子启动子区域甲基化程度地改变。

更值得关注的是，该研究利用极为珍贵的临床样本，发现与小鼠模型类似表型：糖尿病患者GV期卵母细胞和囊胚也分别显示出Tet3表达降低的趋势和Gck启动子区高甲基化的状态。这提示研究团队在小鼠模型中的发现有类推至糖尿病患者的可能性，为通过干预受精卵重编程来纠正表观基因变异及其所致疾病的可行性提供了重要理论支撑，具有广阔的临床应用前景。