Nature重磅:母親懷孕期間缺乏維生素C,會導致女兒生育能力下降
2019/09/29
母體孕期補充維生素C對于適當的DNA去甲基化和雌性胎兒生殖細胞的發育是必需的。母體孕期缺乏維生素C并不影響胚胎發育,但會導致雌性后代成年后生殖細胞數量減少、減數分裂延遲和繁殖力下降。

本文轉載自“BioWorld”。


在人體內,維生素C是高效抗氧化劑,用來減輕抗壞血酸過氧化物酶的氧化應激。還會參與有許多重要生物合成過程。

大多數哺乳動物都能靠肝臟來合成維生素C,所以并不存在缺乏的問題。

然而,人類、靈長類動物、土撥鼠等少數動物卻不能自身合成維生素C,因此,人類必須通過食物、藥物等獲取維生素C。

由于蔬菜和水果中含有豐富的維生素C,因此缺乏維生素C的情況并不多見。但是,孕婦、嬰幼兒、老年人仍有不少缺少維生素C的情況發生。

發育通常被認為是由基因決定的,是基因組中固有的,但有一些證據表明,包括在哺乳動物中,發育容易受到環境調節的影響,并可能產生長期后果。

胚胎種系由于具有代際表觀遺傳效應的潛力而受到特別關注。哺乳動物的胚系經歷了廣泛的DNA去甲基化,DNA去甲基化很大程度上是由連續的細胞分裂過程中被動的甲基化稀釋造成的,同時也隨著TET酶的DNA主動去甲基化。

TET酶(ten-eleven translocation)是生物體內存在的一種α-酮戊二酸(α-KG)和Fe2+依賴的雙加氧酶,可以催化5-甲基胞嘧啶(5-mC)轉化為5-羥甲基胞嘧啶(5-hmC),是DNA去甲基化過程中的一種重要的酶。TET酶的活性受營養素和代謝產物的調節, 如維生素C。

近日,加州大學、多倫多大學、倫敦帝國理工學院的研究人員合作,在國際頂尖學術期刊 Nature 雜志發表了題為:Maternal vitamin C regulates reprogramming of DNA methylation and germline development 的論文。


該研究表明,在小鼠模型中,母體孕期補充維生素C對于適當的DNA去甲基化和雌性胎兒生殖細胞的發育是必需的。母體孕期缺乏維生素C并不影響胚胎發育,但會導致雌性后代成年后生殖細胞數量減少、減數分裂延遲和繁殖力下降。

缺乏維生素C的胚胎的生殖細胞轉錄組與攜帶Tet1基因無效突變的胚胎的轉錄組非常相似。維生素C缺乏會導致異常的DNA甲基化,包括減數分裂和轉座因子的關鍵調控因子的不完全去甲基化。

首先,研究人員試圖確定維生素C(也稱為抗壞血酸)在發育中的胚系中的作用,此時胚系表達高水平的維生素C轉運體。他們使用Gulo-/-,Oct4-eGFP小鼠(Oct4也稱為Pou5f1)來測試維生素C在生殖系發育中的作用。雌性小鼠在交配前至胚胎期第13.5天(E13.5)期間的飲用水中去除了維生素C。研究人員之所以選擇胚胎期第13.5天,是因為此時代表了在生殖系重編程過程中整體DNA甲基化的最低點。他們關注雌性生殖細胞是因為這些細胞在E13.5時進入減數分裂期,而在雄性細胞中減數分裂期只發生在出生后。

研究人員將缺乏維生素C的母鼠的雌性后代與基因相同的對照組小鼠(飲用水含正常水平的維生素C)進行比較,該模型中維生素C的缺乏并不影響胚胎發育,然而,與對照組相比,缺乏維生素C的雌性胚胎中原始生殖細胞(PGCs)的數量顯著減少。

當維生素C添加到培養的胚胎干細胞(ES)中,可以誘導DNA去甲基化,并以TET1/ TET2依賴的方式表達一組關鍵胚系基因,這些基因在體內原始生殖細胞中的表達也依賴于TET1。


值得注意的是,他們發現,在缺乏維生素C的條件下發育的雌性原始生殖細胞中,這些相同的胚系基因一直處于下調狀態。

通過RNA測序(RNA-seq)、逆轉錄定量PCR (qRT-PCR)和免疫組化檢測,維生素C缺乏癥對胎兒性腺發育進程無整體影響,但會導致生殖細胞數量減少和依賴于TET1的胚系調節基因表達缺陷。

在體內被鑒定為維生素C應答的幾個胚系基因是減數分裂起始和發展的重要調控因子。該研究證實,在缺乏維生素C的生殖細胞中,STRA8和SYCP3在RNA和蛋白質水平上顯著降低。與對照組相比,缺維生素C的E14.5小鼠卵巢減數分裂S期的生殖細胞比例顯著增加。雖然S期后各個階段的變化并不顯著,但在缺乏維生素C的卵巢中,它們的總比例有所降低,這種減數分裂進程的延遲持續到E18.5。

在小鼠生殖細胞減數分裂過程中染色體的成功配對導致每個細胞約有20個著絲點; 然而,缺乏維生素C的胚胎生殖細胞顯著增加,每個細胞有超過25個中心體焦點。值得注意的是,直到青春期才發生減數分裂的胎兒睪丸,在缺乏維生素C后,生殖細胞數量、形態或標記蛋白表達均無明顯缺陷。

總之,這些數據表明,母體孕期缺乏維生素C會導致雌性胎兒生殖細胞減數分裂的起始和發展出現相當大的缺陷。


接下來,研究人員研究了妊娠期維生素C缺乏對卵巢儲備和生育力的潛在產后影響。懷孕的雌性老鼠(F0)和以前一樣缺乏維生素C,從E13.5開始恢復含有維生素C的飲食,并準備生育。研究人員發現,與對照組P7幼鼠相比,這些出生后第7天(P7)的幼鼠子宮內缺乏維生素C,卵巢儲備異常變化,一些幼鼠的卵細胞發育非常少,但卵巢體積或卵母細胞大小的總體分布無明顯變化。此外,與對照組相比,缺乏維生素C的F1代雌性小鼠每次交配后植入胚胎的數量顯著減少,妊娠完全失敗(缺乏植入位點)的發生率很高。即使在維生素C缺乏的F1雌性小鼠成功懷孕期間,胚胎吸回的頻率也異常高。因此,盡管維生素C缺乏的F1代雌性小鼠可以生育,但它們的繁殖力顯著降低。

研究結果表明,在E13.5時補充維生素C到母體飲食中并不能消除妊娠早期維生素C缺乏引起的生殖系功能缺陷。因此,研究人員對E13.5生殖細胞的轉錄組進行了表征。缺乏維生素C的生殖細胞在轉錄上與對照細胞是完全不同的。他們共鑒定出412個基因在妊娠期維生素C缺乏后生殖細胞中有差異表達,其中下調基因占多數(下調基因314個,上調基因98個); 值得注意的是,在維生素C缺乏的生殖細胞中下調的一組基因在減數分裂和有性生殖中功能富集。在維生素c缺乏的生殖細胞中,減數分裂的幾個關鍵調控因子位于下調幅度最大的幾個基因中。


與缺乏維生素C的胚胎類似,Tet1 -/-雌性胚胎正常存活,但生殖細胞數量減少、減數分裂調節因子表達減少、減數分裂缺陷和生育力下降。但維生素C缺乏并不影響TET、DNMT或其他潛在的維生素C敏感酶在原始生殖細胞中的表達。

這些數據表明,盡管維生素C和TET1可能在雌性胎兒生殖系中具有獨特的功能,但維生素C是執行TET1精細介導的轉錄程序所必需的,并且對正常生育至關重要。

接下來,研究人員使用簡并代表性亞硫酸氫鹽測序(RRBS)分析比較全基因組范圍內,維生素C缺乏與對照組E13.5生殖細胞的基因組DNA甲基化譜。如前所述,E13.5雌性生殖細胞在整體范圍內去甲基化,維生素C的存在或缺失并不影響修飾后的胞嘧啶殘基在整體范圍內的豐度。這些結果與胚系中DNA去甲基化主要通過被動稀釋發生的觀點相一致,TET1起次要作用。該研究在整個基因組中鑒定了460個差異甲基化區域(DMR)。三分之二的DMR在維生素C缺乏后獲得甲基化(285個高甲基化的DMR與175個低甲基化的DMR),這表明維生素C主要用于DNA去甲基化。

值得注意的是,維生素C缺乏引起的高甲基化DMR與卵巢發育異常和雌性不孕相關的序列密切相關。大多數DMR位于轉錄起始位點(TSSs)的遠端。維生素C缺乏后,55個TSSs基因在其5 kb范圍內發生高甲基化,這些基因在胚系調節基因中富集。

總的來說,減數分裂中的錯誤是人類生殖失敗的主要原因。值得注意的是,TET酶可與細胞的代謝狀態緊密聯系。研究人員認為,在胚系發育過程中,TET1與代謝和母體營養的相互聯系,可根據環境中關鍵營養物質的豐富程度來調整生殖所需資源的分配。大多數動物都能自己合成維生素C,但包括人類在內的某些脊椎動物已經喪失了這種能力。此外,環境污染引起的氧化應激可導致維生素C的氧化。考慮到TET1和維生素C對代謝和環境的敏感性,確定氣候變化和環境污染對生殖的表觀遺傳影響將是非常重要的。

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