母体蛋氨酸补充诱导绵羊卵母细胞与胚胎的表观遗传重塑及其对胎儿编程的影响

本研究通过全基因组甲基化测序（WGBS）揭示了母体蛋氨酸补充对绵羊卵母细胞和胚胎DNA甲基化模式的显著影响，发现核基因组与线粒体DNA（mtDNA）均发生差异化甲基化，并证明关键基因（如SCRIB和CERS3）在胚胎早期发育中具有重要功能。该研究为理解营养表观遗传学（Nutritional Epigenetics）及发育起源健康与疾病（DOHaD）理论提供了新的分子机制依据。

　　

引言

发育起源的健康与疾病（Developmental Origins of Health and Disease, DOHaD）学说提出，个体在生命早期关键窗口期所经历的环境因素，包括营养状态，会对其成年后的健康和疾病易感性产生深远影响。大量研究表明，母体饮食能够改变后代的DNA甲基化模式和表型，但其对卵母细胞及胚胎表观基因组的直接影响仍知之甚少。蛋氨酸作为甲基供体，在一碳代谢和表观遗传调控中扮演关键角色。本研究以绵羊为模型，探讨母体蛋氨酸补充对卵母细胞和胚胎全基因组DNA甲基化模式的影响，并评估这些变化对早期胚胎发育的潜在功能意义。

材料与方法

实验选用16只两岁龄、曾产过一次羔的双胞胎Polypay母羊，随机分为处理组和对照组，处理组每日基础日粮中添加0.44%的瘤胃保护蛋氨酸（RPM），持续147天。通过腹腔镜手术采集卵母细胞，并经体内受精和胚胎冲洗获取胚胎样品。分别构建卵母池和胚胎池，进行全基因组亚硫酸氢盐测序（WGBS），使用Bismark比对至参考基因组，通过methylKit进行差异甲基化胞嘧啶（DMCs）分析。为验证DMCs相关基因功能，选择SCRIB与CERS3基因在牛胚胎中进行siRNA电转敲降，评估其对囊胚形成率的影响。

结果

母体饮食对卵母细胞DNA甲基化模式的影响：

WGBS分析显示，在卵母细胞中共鉴定到2056个DMCs，其中2034个发生低甲基化，22个高甲基化。绝大多数低甲基化DMCs位于基因间区（95%），其余分布于启动子、外显子和内含子区域。此外，在线粒体DNA中识别出17个DMCs，其中12个为高甲基化，5个为低甲基化。

母体饮食对胚胎甲基化模式的影响：

在胚胎中共发现113个DMCs，其中112个为高甲基化，仅1个为低甲基化。高甲基化DMCs主要位于基因间区（93%），部分位于外显子（4.5%）和内含子（2.5%）。与B4GALT4、COL1A2样基因、CERS3等基因相关。线粒体DMCs全部为高甲基化，共22个。

卵母细胞与胚胎DMCs的重合分析：

在核基因组中未发现重叠DMC，但有三处胞嘧啶位点在卵母细胞中低甲基化、在胚胎中转为高甲基化。在线粒体基因组中，共有5个高甲基化DMCs在卵母细胞和胚胎中同时出现。

SCRIB与CERS3基因敲降对胚胎发育的影响：

SCRIB siRNA敲降导致囊胚形成率平均下降16.4%（p=0.001），CERS3敲降使囊胚率下降9.5%（p=0.005），表明这两个基因对早期胚胎发育具有重要功能。基因表达分析显示，敲降组中SCRIB和CERS3转录水平分别下降43.2%与60.1%。

讨论

本研究首次系统报道了母体蛋氨酸补充对绵羊卵母细胞和胚胎全基因组甲基化模式的显著影响。与预期相反，蛋氨酸作为甲基供体并未引起广泛高甲基化，反而在卵母细胞中诱导了以低甲基化为主的表观遗传变化，这一现象与我们此前在公羊精子中的发现以及其它物种相关研究一致，提示过量蛋氨酸可能通过干扰一碳代谢平衡引起甲基化稳态失调。

与卵母细胞相反，胚胎中DMCs几乎全部为高甲基化，体现了受精后表观遗传重编程的复杂性。尽管亲本基因组在受精后经历大规模去甲基化，但某些位点可能因营养干预而被保留或发生再甲基化，进而影响胚胎基因表达与发育程序。

功能实验表明，SCRIB和CERS3基因的敲降显著损害胚胎发育能力。SCRIB作为细胞极性与Hippo信号通路的关键调控因子，其表达水平对神经管闭合和胚胎形态发生具有重要作用；CERS3参与超长链神经酰胺合成，影响细胞膜结构与信号转导。这两个基因的敏感性提示它们可能是母体营养影响胚胎发育的表观遗传靶点。

此外，本研究在线粒体DNA中也检测到差异甲基化，提示母体蛋氨酸干预可能通过影响线粒体表观遗传状态，进一步调控能量代谢与氧化应激反应，与DOHaD理论中“线粒体-表观遗传交叉对话”的机制相吻合。

结论

母体蛋氨酸补充可显著改变绵羊卵母细胞和胚胎的核DNA与线粒体DNA甲基化 landscape，其中SCRIB与CERS3等关键基因的甲基化状态变化可能影响胚胎发育潜能及后代健康。该研究为理解营养干预与跨代表观遗传提供了新的实验依据，对动物生殖管理及人类发育源性疾病防治具有重要参考价值。