全球肥胖率上升和精子质量持续下降是近几十年来出现的两个令人担忧的趋势。同时，来自模式生物的证据表明，父亲的饮食可以在涉及精子 tRNA 衍生的小 RNA (tsRNA) 的过程中影响后代的代谢健康。在这里，我们报告人类精子对营养通量非常敏感，无论是在精子活力还是精子 tsRNA 的变化方面。在为期 2 周的饮食干预过程中，我们首先引入了健康饮食，然后是富含糖的饮食，精子活力增加并稳定在高水平。对来自同一个体的重复取样精子进行的小 RNA-seq 显示，仅仅 1 周的高糖饮食就可以上调 tsRNA。无监督聚类确定了这些 tsRNA 生物发生的两条独立途径：一个涉及一类新的片段，在成熟核 tRNA 的 T 环中具有特异性切割，另一个仅涉及线粒体 tsRNA。线粒体 rRNA 衍生的小 RNA (rsRNA) 的类似上调进一步支持了线粒体的参与。值得注意的是，在一个独立的临床队列中，糖敏感 tsRNA 的变化与精子活力的同时变化呈正相关，而与肥胖呈负相关。这种对人类精子中 tsRNA 饮食干预的快速反应与模式生物中发现的父系代际代谢反应相协调。更重要的是，我们的研究结果表明精子活力和 tsRNA 的生物发生之间存在共同的饮食敏感机制，这为营养和男性生殖健康之间的相互作用提供了新的见解。
引文： Nätt D、Kugelberg U、Casas E、Nedstrand E、Zalavary S、Henriksson P 等。(2019) 人类精子对饮食表现出快速反应。公共科学图书馆生物学 17（12）：e3000559。https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3000559
学术编辑： Jason W. Locasale，杜克大学，美国
收稿时间： 2019年5月16日；接受： 2019年11月18日；发布时间： 2019 年 12 月 26 日
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数据可用性：当前研究期间生成的所有相关数据都包含在论文及其支持信息文件中，但有一个例外。S1 Fig是从包含个人遗传信息的 fastq 序列文件生成的。因此，不受限制地分发这些文件会危及研究参与者的个人完整性，这违反了我们目前的道德许可、参与者同意书和瑞典法律。尽管如此，这些文件可能会根据要求提供，前提是研究人员遵守现有的道德许可和同意书，或通过向瑞典道德审查机构申请延长道德许可和同意书（有关如何申请联系方式的更多信息，注册人@etikprovning.se，或访问https://etikprovningsmynigheten.se/）。有关数据的具体信息，请通过[email protected]和[email protected]联系通讯作者。当前研究中使用但由其他人生成的数据之前已存放在序列读取档案 (SRA) 中，可以通过以下登录号访问：SRP065418、SRP132262（这些登录号 GSE74426 还提供了 Gene Expression Omnibus 的链接, GSE110190)。
资金：这项研究得到了瑞典研究委员会 (2015-03141; <https://www.vr.se/english.html> ; AÖ 收到)、Knut 和 Alice Wallenberg 基金会 (Wallenberg Academy Fellow, 2015.0165; <https://kaw.wallenberg.org/wallenberg-academy-fellows>；由 AÖ 接收），Ragnar Söderberg（2015 年医学研究员；https :ragnarsoderbergsstiftelse.se/ ；由 AÖ 接收），战略研究领域医疗保健科学卡罗林斯卡学院/于默奥大学（<https://ki.se/en/research/strategic-research-area-health-care-science-sfo-v>；由 ML 接收）。资助者在研究设计、数据收集和分析、发表决定或手稿准备方面没有任何作用。 竞争利益：作者声明不存在竞争利益。 缩写： BMI，体重指数；BMR，基础代谢率；FDR，错误发现率；GEO，基因表达综合；hESC，人类胚胎干细胞；lincRNA，长链非编码 RNA；miRNA、微小RNA；nitRNA，核内部 T 环 tsRNA；PAL，身体活动水平；piRNA，piwi 相互作用 RNA；PUS7，假尿苷合酶 7；qPCR，定量PCR；RDI，推荐的每日摄入量；RPM，每百万读取；rsRNA，rRNA衍生的小RNA；RT，逆转录；sncRNA，小非编码 RNA；SRA，序列读取存档；TEE，总能量消耗；tsRNA，tRNA衍生的小RNA ===== 介绍 ===== 几十年来，流行病学研究报告了世界范围内健康男性的精子质量下降[ 1-3 []](https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371%2Fjournal.pbio.3000559&utm_source=feedburner&utm_medium=feed&utm_campaign=Feed%3A+plosbiology%2FNewArticles+%28PLOS+Biology+-+New+Articles%29#pbio.3000559.ref003)。虽然对这些研究的解释有时会达到世界末日的程度，但由于经常缺乏动力、区域依赖和协变量的偏见而受到正确批评（例如，参见 [ 4 ]），但一致性足以引起关注。最近对 137 份报告的荟萃分析估计，在过去 35 年中，精子浓度下降了 57%，其中北美、欧洲和亚洲发现了对这种下降的最佳支持 [ 5 ]。正在进行的涵盖数万到数十万人的大规模研究也表明，这种下降没有恢复的迹象[ 6-8 ]。因此，更好地了解影响人类精子质量的因素变得越来越紧迫。 健康男性精子质量低的风险因素包括男性生育年龄、环境内分泌干扰物暴露（如杀虫剂和重金属）和生活方式因素（如烟草/酒精和运动）[ 5 ]。肥胖——伴有相关疾病，如糖尿病——也是一个重要的危险因素[ 9-12 []](https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371%2Fjournal.pbio.3000559&utm_source=feedburner&utm_medium=feed&utm_campaign=Feed%3A+plosbiology%2FNewArticles+%28PLOS+Biology+-+New+Articles%29#pbio.3000559.ref012)。有趣的是，许多最常研究的精子质量下降的人群最近也经历了肥胖的上升。众所周知，营养和代谢因素可能会影响男性生育能力 [ 9 , 13 , 14]，但对分子机制知之甚少。然而，在最近发现的动物中所谓的父系代际代谢反应中可能会找到线索。 在父系代际代谢反应中，男性会受到饮食干预，这些干预会产生强大的代谢涟漪，这些涟漪会在消退之前传播一两代 [ 15 , 16 ]。这种现象已在许多生物体中观察到，包括人类、老鼠和果蝇 [ 17 – 19 ]。这里最好的候选机制涉及小非编码 RNA (sncRNA) 精子负荷的变化。一般来说，已知 RNA 在建立表观遗传状态中发挥重要作用，包括着丝粒异染色质 [ 20 ] 和生殖细胞中的转座子沉默 [21 ]]。sncRNA 的一种亚型，即 tRNA 衍生的小 RNA ( tsRNA )，已知在哺乳动物精子（包括人类）中含量丰富，并且在小鼠的父系代际代谢反应中发挥作用 22-28 []。tRNA 片段的功能意义刚刚被揭开，但到目前为止，它与抑制翻译、应力颗粒形成和控制反转录转座子有关 [ 24 , 29 – 31 ]。人类精子的 tsRNA 是否对饮食干预有反应，以及它是否与精子质量的变化有关，尚未研究。 在这里，我们介绍了两步饮食干预后对人类精子的急性影响。这种干预首先包括 1 周的健康饮食，以建立基线，然后在此基础上增加 1 周的糖摄入量。通过调查同一个体的 3 次射精，我们发现在干预期间，所有个体的精子活力都显着稳定在高水平。精子活力的变化与 tsRNA 的同时增加平行，主要来自线粒体来源，但也来自特定类型的核 tsRNA。这些核 tsRNA，我们将其命名为核内部 T 环 tsRNA (nitRNA)，在成熟 tRNA 的 T 环的保守 TψC 区域内有一个特定的切割位点，表明一种糖敏感酶促进了这种 tsRNA 的生物发生亚型。因此，人类精子中的 sncRNA 库， ===== 结果 ===== ==== 饮食的变化引起快速的全身反应 ==== 为了检查人类精子对饮食变化的反应，我们招募了 15 名健康男性——不吸烟者，年龄在 20-27 岁，体重指数（BMI）正常——并让他们接受个性化的饮食方案（图 1A）。所有参与者都同意仅食用研究团队为为期 2 周的干预提供的膳食。在第一周，我们根据北欧营养建议 [ 32 ] 为每位参与者提供健康饮食，总能量含量对应于他们估计的总能量消耗 (TEE) ( S1 表）。第二周，他们的饮食中添加了相当于估计 TEE 的 50% 的糖（平均每天 375 克糖，相当于约 3.5 升含糖饮料或约 450 克糖果）。这种两步策略生成了成对的样本时间线，使每个人都可以自己控制。计算第一周饮食的卡路里含量以维持初始体重，而第二周的卡路里摄入量估计会使个体体重增加 1.5 公斤。作为坚持饮食的指标，体重变化符合这些预期（S2 表）。脂肪与瘦体重的比率表明，增加的体重的主要部分是瘦体重（图 1B)，表明健康的年轻男性富含糖分的饮食在短期内具有合成代谢作用。在每个时间点采集血样，虽然几个参数（包括血红蛋白、血小板浓度和谷氨酰转移酶）有微小但显着的变化（S2 表），但血清甘油三酯有显着变化（图 1C）以及明显的变化。胆固醇代谢的转变（S2 表）。值得注意的是，空腹血糖不受 1 周高糖饮食的影响，证实了参与者的非病理性糖代谢（S2 表）。 缩略图 下载： * PPT PowerPoint幻灯片 * PNG 大图 * 国际电影节 原始图像 图 1.两步饮食干预导致全身代谢反应和精子活力增加。 (A) 参与者 ( n = 15) 被给予高度控制的标准饮食 1 周（基于他们的 TEE 的 RDI 为 100%），然后是一周加糖（+50% 的 RDI）。(B) 通过 BodPod 测量估计脂肪和无脂肪质量的变化。(C) 测试期间的血清甘油三酯。(D) 在研究开始时和每周结束时从每个参与者那里收集精液。(E) 测试期间的精子活力。数据在S2 表中可用。RDI，推荐的每日摄入量；TEE，总能量消耗。 <https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3000559.g001> 精液样本采集了 3 次：第一次在干预开始时，第二次在健康饮食周后，第三次在高糖饮食周后（图 1D）。参与者之间的精子总数是可变的，并且不受饮食的影响（S2表）。然而，我们注意到，在干预的 2 周内，所有个体的精子活力稳定地稳定在高水平（黑线图 1E）。从个人时间线来看，15 名参与者中有 5 名的起点非常低，接近或低于 34% 的参考值（S2 表）。通过分别绘制这个低精子活力组，很明显，该组在测试期间显着提高了他们的精子活力，最明显的效果在第一周后就已经很明显了（灰线图 1E）。 总之，精子活力和瘦体重同时增加表明，在健康基线之上的 1 周高糖饮食对我们年轻、健康和瘦的参与者产生了合成代谢作用。 ==== 饮食中的糖会急剧调节精子中的 tsRNA ==== 接下来，我们从精子样本中提取 RNA 并进行小 RNA 测序。我们的分析工作流程允许分析 16-45 个核苷酸的小 RNA。大小分布和第一核苷酸偏差在来自同一个体的所有 3 次射精中高度保守（S1 图），这验证了我们实验的完整性。与早期报道一致 [ 22 , 25 ]，人类精子中的大多数小 RNA 被鉴定为 tsRNA、rRNA 衍生的小 RNA (rsRNA) 和 microRNA (miRNA)（图 2A/2B）（S1 数据）。 缩略图 下载： * PPT PowerPoint幻灯片 * PNG 大图 * 国际电影节 原始图像 图 2.人类精子 tRNA 片段对高糖饮食非常敏感。 (A) 每个参与者的活动精子的小 RNA-seq 谱 (S1-S16; n =15）在实验开始点（“开始”）、健康饮食第一周后（“健康”）和高糖饮食第二周后（“糖”）进行分析。(B) 整个实验中小 RNA 的平均比例。(C) 干预主要是为了研究糖与健康（基线）相比的影响。(D) 高糖饮食 (糖/健康) 1 周后生物型的倍数变化。(E) 分析的 tsRNA 类型。(F) 不同类型 tsRNA 的平均读取次数。(G) 高糖饮食 1 周后 tsRNA 类型的倍数变化。(H) 最高表达的核和线粒体 tRNA isodecoders、它们的平均表达、高糖饮食 1 周后的倍数变化，以及它们的 tsRNA 类型组成。仅提供至少 100 RPM 的 tRNA isodecoders。误差线表示±SEM。“*”表示至少p < 0.05。可以使用来自S1和S2数据的输入的S1 文本中的脚本来复制图形。FC，倍数变化；lincRNA，长链非编码 RNA；miRNA、微小RNA；Mt，线粒体；piRNA，piwi 相互作用 RNA；RPM，每百万读取；rsRNA，rRNA衍生的小RNA；tsRNA，tRNA衍生的小RNA。 <https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3000559.g002> 两步饮食干预的主要目的是检查高糖饮食与健康基线饮食的关系（图 2C）。因此，我们首先关注这种比较。一周的高糖饮食导致小 RNA 的相对分布发生显着变化，使得 miRNA 和 tsRNA（主要来自线粒体）增加，而核糖体衍生的小 RNA（rsRNA）减少（图 2D）。然而，个体 miRNA 在高糖饮食后没有显着变化（S3 表；错误发现率 [FDR] 已更正）。对 rsRNA 的更仔细检查表明，下调是由于高表达的 18S 和 28S 亚基的大量小效应变化（S2 图）。这些 rsRNA 损害了我们数据中所有 rsRNA 的 92.6%，并且具有核起源。更有趣的是，从线粒体基因组转录的表达较少的 12S 和 16S 衍生的 rsRNA 显着上调（图 S2）。 针对 tsRNA，我们接下来将 tsRNA 的复杂混合物注释为 5 个亚型：5'-half、5'-tsRNA、i-tsRNA、3'-tsRNA 和 3'-half（图 2E）[ 33 ]。使用这种方法，很明显 5'-片段最丰富，如先前在小鼠中显示的 [ 26 ]，3'-片段最不丰富，而研究较少的 i-tsRNA 存在于中等水平（图 2F） . 然而，只有 i-tsRNAs 和 3'-tsRNAs 对高糖饮食的反应表现出显着变化（图 2G）。关注 tRNA isodecoders，我们发现来自 8 个 isodecoder 的 tsRNA 在高糖饮食干预后发生了变化（图 2H，中图）。这 8 个 isodecoder 表达适度（图 2H，左图）并具有高含量的 i-tsRNA 或 3'-tsRNA（图 2H，右图）。相比之下，高丰度的 tRNA isodecoder，如 GlyGCC、GlyCCC 和 GluCTC（图 2H，左图）不受高糖饮食的影响（图 2H，中图）并且具有高含量的 5'-tsRNA（图 2H，中图）。图 2H，右面板）。 为了验证这些结果，我们对 2 个已鉴定的 tsRNA、核 LysCTT i-tsRNA 和线粒体 SerTGA 5'tsRNA（图 S3 ）进行了定量 PCR（qPCR ）。在 qPCR 后，精子和人类胚胎干细胞 (hESCs) 都产生了预期大小的独特片段。最重要的是，所有参与者的测序和 qPCR 结果相关性很好，并且糖的作用得到了验证。 总之，精子 tsRNA 的特定亚型，主要是 i-tsRNA 和 3'-tsRNA，在对饮食的反应中急剧上调。值得注意的是，这涉及来自核和线粒体 tRNA 的 tsRNA。 ==== 线粒体和核 tsRNA 形成不同的簇 ==== 对于每个对糖敏感的 tRNA 等解码器（图 2H），鉴定了几个 tsRNA，其中许多仅在一个或几个核苷酸上有所不同（S4 表，S2 数据），最有可能表明共同的加工途径。为了检验这一点，我们使用无监督聚类来揭示这些 tsRNA 的潜在相关结构。正如所怀疑的那样，tRNA isodecoder 亚型的表达谱在个体之间密切相关（图 3）。更重要的是，核和线粒体 tsRNA 形成了 2 个完全独立的簇。虽然核簇仅包含 i-tsRNA，但线粒体簇主要包含 i-tsRNA 和 3'-tsRNA 的混合物。这表明上面报道的 i-tsRNA 和 3'-tsRNA 之间的差异是由至少 2 条由细胞区室隔开的加工途径产生的。 缩略图 下载： * PPT PowerPoint幻灯片 * PNG 大图 * 国际电影节 原始图像 图 3.线粒体和核 tsRNA 形成不同的簇。 树状图显示了（图 2H）中显着变化的 tRNA isodecoders 中单个 tsRNA 的调节反应的相关性。每片叶子代表 15 名参与者在单个 tsRNA 中糖和健康之间的差异。线粒体（红色）和核 i-tsRNA（蓝色）清晰地分为 2 个簇。层次聚类分析基于跨中心标度 RPM 差异的欧几里得距离，糖和每个参与者的健康样本之间的差异。有关这些 tsRNA 的更多信息，请参阅S5 表。可以使用S1 Text中的脚本和来自S2 Data的输入来复制该图。RPM，每百万读取；tsRNA，tRNA衍生的小RNA。 <https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3000559.g003> ==== ==== ===== https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371%2Fjournal.pbio.3000559&utm_source=feedburner&utm_medium=feed&utm_campaign=Feed%3A+plosbiology%2FNewArticles+%28PLOS+Biology+-+New+Articles%29 ===== ==== 肥胖男性的精子 tsRNA 发生了改变 ==== 为了检验我们研究结果的完整性，我们接下来重新分析了 Donkin 及其同事 [ 25 ] 的丹麦研究的数据，该研究对来自瘦削和临床肥胖个体的精子小 RNA 进行了测序（图 4A）。有趣的是，通过在该数据集上复制我们的分析工作流程，我们发现 i-tsRNA 是唯一在这两组之间显着不同的 tsRNA 亚型（图 4B）。将我们研究中定义的糖敏感 tsRNA（图2H和3）与 Donkin 及其同事研究中的相同 tsRNA 进行比较，发现跨研究的表达水平相似（图 4C ））。并排检查两项研究的 tRNA 谱揭示了进一步的相似性，包括不同 tsRNA 的相对丰度和营养敏感区域（图S4和S5）。有趣的是，与高糖饮食对年轻和健康男性的合成代谢作用一致，临床肥胖男性的精子在 tsRNA 变化中表现出相反的反应（图 4D）。高糖与糖敏感的 tsRNA 增加有关，而肥胖与减少有关。值得注意的是，这种反比关系也在对糖敏感的 12S 和 16S rsRNA 中观察到（S2D/S2E 图）。 缩略图 下载： * PPT PowerPoint幻灯片 * PNG 大图 * 国际电影节 原始图像 图 4.来自肥胖男性的精子显示 tsRNAs 的变化。 (A)使用我们的分析工作流程重新分析了 Donkin 及其同事先前发表的关于肥胖和瘦男性精子小 RNA 的数据（SRA 项目：SRP065418） [25 ]。(B) 箱线图显示不同 tsRNA 类型（灰点瘦个体、黑点肥胖个体）的平均值和个体表达。误差线表示±SEM。(C) 显示当前（糖/健康）和肥胖（肥胖/瘦）研究的平均 tsRNA 表达之间存在显着关系。每个彩色大点代表来自图 2H中显着变化的糖敏感 tRNA isodecoders 的单个 tsRNA. 灰色小点代表其他 tsRNA。(D) 与面板 C 中相同的 tsRNA，但绘制为两项研究中每一项的差异，分别比较糖与健康饮食以及肥胖与瘦男人。百分比表示在图的每个象限中发现的 tsRNA 的比例；没有括号 = 饮食敏感；括号内 = 所有分析的 tsRNA。RPM，每百万读取；SRA，序列读取存档；tsRNA，tRNA衍生的小RNA。 <https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3000559.g004> 为了进一步阐述这一点，我们将我们的结果与 Hua 及其同事最近一项研究的数据进行了比较，该研究调查了中国男性精子的 sncRNA，这些精子后来在体外受精后产生了高质量或低质量的胚胎 [ 34 ]。虽然我们成功鉴定了许多对糖敏感的 tsRNA 和 rsRNA，但我们只观察到与更高胚胎质量相关的线粒体 rsRNA 和 tsRNA 表达增加的弱趋势（S2和S5图）。然而，与其他数据集相比，Hua 及其同事的数据集通常缺乏 rsRNA，而富含 5' tsRNA（S6 图）。因此，对糖敏感的 i-tsRNA 和 rsRNA 的影响可能受到低覆盖率或更丰富片段的重叠降解产物的影响（例如，S4 Fig中的 LysCTT ）。 总之，跨数据集分析与我们的 qPCR 验证（S3 图）相结合，为本研究中鉴定的新型糖敏感 tsRNA 的存在提供了可靠的独立证据。此外，肥胖男性精子与 tsRNA 的负相关表明它们可能与临床状况有关。 ==== 糖敏感的核 i-tsRNA 在 T 环中被切割 ==== 接下来，我们关注图 2H中显着变化的核等解码器。将读数与 LysCTT、ArgCCG、ArgCCT 和 LeuCAA 的最佳匹配比对表明它们具有非常相似的覆盖图谱（图 5A-5D，顶行），尽管序列独特且源自不同的染色体。这与源自显着变化的线粒体异解码器的 tRNA 片段的复杂性形成鲜明对比（S7 图）。更具体地说，所有核糖敏感同工解码器的 3' 末端位置接近或位于 T 环内。为了研究它们的确切切割位点，我们绘制了每个片段的第一个和最后一个核苷酸（图 5A-5D、中间行和底行）。该图谱显示，LysCTT 的糖敏感片段在 T 环内有一个高度特异性的 3' 切割位点，在反密码子臂的 D 环和反密码子环之间有一个 5' 切割位点，产生一个 30- nt-long 片段（图 5E）。ArgCCG、ArgCCT 和 LeuCAA 片段更小，长度为 16-22 nt，都在反密码子之后的不同位置开始，但在 T 环或非常接近 T 环结束（图 5F-5H）。 缩略图 下载： * PPT PowerPoint幻灯片 * PNG 大图 * 国际电影节 原始图像 图 5. T 环切割产生对糖敏感的 nitRNA。 （A-D）核苷酸覆盖和切割位点分析。（E-H）响应高糖饮食产生的 tsRNA 的图形表示。(I) 跨糖敏感核 tsRNA 的共享 T 环序列 (TΨCGA)。(J) 研究中包括所有 tsRNA 在内的 3' 切割位点的位置分析。上图：糖（深灰色）与健康（浅灰色）饮食。中间和底部面板：显着的 tsRNA（实心彩色点；p < 0.05）、核 tsRNA（蓝色）和线粒体 tsRNA（红色）。数据在S2 Data和S4 Table中可用。nitRNA，核内部 T 环 tsRNA；RPM，每百万读取；tsRNA，tRNA衍生的小RNA。 <https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3000559.g005> 所有 4 个重要的糖敏感核同工解码器在其 T 环中都有一个 TTCGA 序列（图 5I）。这是在 48% 的 tRNA 相关序列的所有 T 环中发现的常见序列，其中不到 1% 有线粒体来源（相比之下，在不含 TTCGA 的 tRNA 中这一比例为 6%）。为了研究糖敏感片段是否富含TTCGA-T-loops，我们绘制了每个tsRNA 3'-末端核苷酸与T-loop 5'位置之间的距离（图5J，上图）（S4 表）。正如预期的那样，这导致了两个主要峰，对应于高表达的 5'-tsRNA 和 GlyCCC、GlyGCC、GluCTC 和 GluTTC 的 5'-半部分，而中度表达的糖敏感 T 环 tsRNA 显示出较小的峰。图 5J，顶板，插入）。绘制糖饮食引起的变化的显着性值揭示了两件事。首先，T-loop 确实是具有 TTCGA 基序的 tRNA 中核 tsRNA 发生显着变化的热点（图 5J，中图，蓝色实心圆圈p ≤ 0.05，空心蓝色圆圈p > 0.05）。少数没有 TTCGA 基序的核 tsRNA 没有显示出这种显着 tsRNA 的积累（图 5J，下图，蓝色实心圆圈p ≤ 0.05，空心蓝色圆圈p > 0.05）。其次，来自线粒体 tRNA 的 tsRNA 显示出更复杂的糖敏感切割位点模式（图 5J，中图和下图，红色圆圈p< 0.05，打开红色圆圈p > 0.05）。总之，这表明通过我们的聚类分析确定的识别糖敏感核 i-tsRNA 的机制可能涉及预先定义的 tsRNA 亚型中的选择性 T 环切割。我们将这种核 tsRNA 亚型命名为 - 由其 TTCGA-T 环切割定义 - 核内部 T 环 tsRNA (nitRNA)。值得注意的是，我们的 T 环作图还揭示了 GluCTC 中的糖敏感 nitRNA，该 nitRNA 以前隐藏在丰富的对饮食不敏感的 5' tsRNA 中（S8 图，S4 表）。 ==== 饮食敏感的 tsRNA 与精子活力相关 ==== 因为精子活力是男性生育能力低下的最佳指标之一 [ 35 ]，在肥胖男性中降低 [ 9 , 36 ]，并且在我们为期 2 周的饮食干预过程中稳定在高水平（图 1E），我们测试了精子活力的变化是否与糖敏感的 tsRNA 有关。由于在开始点和高糖饮食之后观察到精子活力的最大恢复，我们关注这两个时间点之间的差异（开始与糖）。通过这样做，我们还分离了健康和糖之间的原始分析，使得对起始条件的可能依赖性出现。 首先关注核 tsRNA，我们发现对糖敏感的 nitRNA 不会因健康饮食而上调，而特别是高糖饮食（图 6A，深绿色圆圈）。这不是核 tsRNA 的一般反应，因为所有其他核 tsRNA 的平均值不受干预的影响（图 6A，浅绿色圆圈）。此外，在个体水平上，糖敏感性 nitRNA 的变化与精子活力的变化呈正相关，而其他核 tsRNA 则没有（图 6B）。nitRNA 和其他核 tsRNA 之间也没有关联（图 6C）。 缩略图 下载： * PPT PowerPoint幻灯片 * PNG 大图 * 国际电影节 原始图像 图 6.精子活力与 tsRNA 的平行变化呈正相关。 核和 MT tsRNA——无论是糖敏感的（= 糖与健康相比显着上调）或其他（= 没有显着上调的 tsRNA）——都相对于起始点值进行了重新评估。(A) 显示整个饮食干预期间核糖敏感 nitRNA（暗点）和其他核 tsRNA（亮点）的变化。请注意，糖敏感的 nitRNA 对糖有特异性反应。(B) Sugar 与 Start 饮食之间精子活力的变化与糖敏感的 nitRNA（暗点）有关，但与其他核 tsRNA（亮点）无关。(C) nitRNA 和其他核 tsRNA 的变化之间没有关联。(D) 与起始点值相关的糖敏感 MT tsRNA（暗点）和其他 MT tsRNA（亮点）的变化。请注意，所有 MT tsRNA 在饮食干预后逐渐增加，但在 Sugar 之后，对糖的敏感性有所提高。(E) 糖敏感 MT tsRNA（暗点）和其他 MT tsRNA（亮点）的变化与精子活力的变化有关。(F) 糖敏感 MT tsRNA 和其他 MT tsRNA 的变化密切相关。p < 0.0001， p < 0.01，* p < 0.05，# p < 0.1。数据可在S2 表（精子活力）和S2 数据（tsRNA）中获得。健康，健康饮食后采集的样本；MT，线粒体；nitRNA，核内部 T 环 tsRNA；ns，不显着；开始，起点样本；糖，高糖饮食后采集的样本；tsRNA，tRNA衍生的小RNA。 <https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3000559.g006> 与核 tsRNA 不同，线粒体糖敏感和所有其他线粒体 tsRNA 在两步饮食干预中均显示出增加（图 6D）。虽然其他 tsRNA 显示稳定增加，但糖敏感的 tsRNA 在引入糖后经历了加速（图 6D暗红色圆圈）。因此，最初鉴定为对糖敏感的线粒体 tsRNA 以及其他线粒体 tsRNA 都与精子活力呈正相关（图 6E）。糖敏感和其他 tsRNA 的平均变化也相互密切相关（图 6F）。这表明精子活力取决于涉及所有线粒体 tsRNA 的共同机制。因为精子活力和线粒体 tsRNA 在第一周就已经增加（图 1E；健康），健康/基线饮食至少是对精子质量产生积极影响的部分原因。 ===== ===== ===== 讨论 ===== 在这里，我们表明人类精子对营养通量敏感，包括精子活力和 sncRNA 池。这种急性反应与我们早期在果蝇中的研究一致，在该研究中，我们表明雄性果蝇在交配前仅 2 天的饮食干预就足以通过精子传递信号以诱导下一代代谢重编程 [ 19]。在目前的研究中，我们表明人类精子中特定的线粒体和核 tsRNA 在类似的短期饮食干预后独立上调。这些 tsRNA 的增加与精子活力呈正相关。此外，在核 tsRNA 中，我们在全长核 tRNA 的 T 环中发现了糖敏感性切割，产生了一个短的内部 tsRNA，我们将其命名为 nitRNA。 ==== 精子核 tsRNA 的生物发生 ==== 仅部分了解从 tRNA 生成 tsRNA 的途径。最好的理解是血管生成素对 tRNA 的应激诱导切割，该切割在密码子环中产生 2 半 [ 37 , 38 ]。正如之前在小鼠中报道的那样，我们发现 [ 26 ]，精子中最丰富的 tsRNA 是 5'-半。然而，我们没有发现具有完整 5' 末端的 tsRNA 对饮食反应迅速的证据。 使用新的方法来绘制内部 tRNA 片段，我们检测到另一类 tsRNA，i-tsRNA，它不像许多 5'-tsRNA 那样高度表达，但与 3'-tsRNA 相比，它仍然以中等水平表达（图 2F）。在小鼠中，已表明 5'-tsRNA 在精子中上调，作为对慢性低蛋白饮食 [ 26 ]、慢性高脂肪饮食 [ 24 ] 或母体高脂肪饮食的反应 [26]。 28 ]。考虑到 5'-tsRNA 在抑制翻译中的作用 [ 29 , 37]，5'-tsRNA的上调可能是在氨基酸剥夺下减少蛋白质合成的自然反应。我们的急性高糖干预会导致不同的代谢情况。参与者首先营养良好，然后在此基础上接受高糖剂量。这可以解释为什么我们鉴定的 tsRNA 不同于对低蛋白和高脂肪的研究。鉴于这种对代谢背景的依赖性，这意味着不同的饮食可能对精子本身产生不同的影响，甚至可能对发育中的受精卵产生不同的影响。然而，必须注意的是，大多数早期的研究都忽略了内部的 i-tsRNA 片段。因此，重新分析数据可能会揭示糖敏感 tsRNA 通路的更多共性。 本研究中鉴定的糖敏感 nitRNA 在 T 环中均具有 GTTCGA 基序。这是假尿苷合酶 7 (PUS7) 的确切基序，PUS7 是一种催化尿苷假尿苷化的酶。有趣的是，我们在本研究中定义为对糖敏感的几个 tRNA isodecoders 是 PUS7 [ 39 ] 的目标。尽管本研究中发现的糖敏感 tsRNA 与 PUS7 的 tRNA 靶标之间存在显着相似性，但仍需要更多的工作来确定 PUS7 在饮食诱导的精子 nitRNA 生成中是否起作用。 除了识别出的 nitRNA 之外，T 环切割还应该产生短的 3'-tsRNA（S9 图）。这种短的 3'-tsRNA 在我们的数据中很少见，但已被描述 [ 40 ]。在四膜虫中，饥饿诱导的较长 3'-tsRNA 由 piwi 途径加工生成 CCA-3'-tsRNA [ 41 ]。较长的 3'-tsRNA 的“剩余”与我们发现的 nitRNA 非常相似，后者在高糖饮食后会在精子中增加。在我们的研究中缺乏短 3'-tsRNA 的一种解释是，这些片段可能包含与我们的文库制备方案不兼容的翻译后修饰。这应该通过未来的研究来解决。 ==== 精子活力和 tsRNA 的平行变化 ==== 精子活力在研究过程中增加，并且在健康饮食的第一周后已经很突出。虽然我们无法将潜在健康饮食的影响与高糖摄入量区分开来，但精子活力的增加可能是健康饮食的直接结果，这种情况可能会持续到第二周。 然而，葡萄糖在成熟精子中具有多种作用 [ 42 ]，并且已知会在体外迅速影响精子活力 [ 43 , 44 ]。这可能是因为成熟的人类精子使用葡萄糖和果糖作为 ATP 的主要来源。如公猪精液所示，线粒体转录与核转录不同，表现出完全活跃且依赖于 ATP [ 45]。因此，我们所看到的线粒体 tsRNA 的增加可能是由糖依赖性基因转录引起的更多全长线粒体 tRNA 的结果。当然，必须对此类索赔进行进一步调查。然而，虽然我们没有直接测量精液中的葡萄糖水平，但我们没有观察到实验期间血糖水平的变化（S2 表），这使得直接精子葡萄糖感应不太可能解释我们的结果。血糖没有变化，以及甘油三酯水平升高（S2 表），反而表明参与者表现出健康的糖代谢，并在激素反应的影响下，迅速将血糖转化为脂肪酸。已知成熟的精子携带瘦素受体46 ] 并具有胰岛素感应能力 [ 47 ]，这在体外对精子活力产生积极影响 [ 48 ]。如果这种激素通路与激活 PUS7 样假尿苷化的细胞内级联反应（参见“精子核 tsRNA 的生物发生”中的讨论）和随后的 T 环切割先前存在的精子 tRNA 池相关联，这将是一个强有力的候选者至少解释了我们的一些结果。 鉴于人类的精子发生大约需要 70 天 [ 49 ]——至少核基因转录在后期受到强烈抑制（有关此问题的讨论，请参见 [ 50 ]）——sncRNA 库的快速变化似乎不太可能发生。由精子内源性基因转录介导。因此，快速变化更可能通过来自预先存在的 tRNA 池的 tsRNA 加工或来自具有完整基因转录的体细胞的 tsRNA 转移来解释（图 7）。因此，营养感应可以通过直接或间接感应机制发挥作用，这样精子本身或体细胞就会感应到膳食通量并做出反应。 缩略图 下载： * PPT PowerPoint幻灯片 * PNG 大图 * 国际电影节 原始图像 图 7.人类精子对饮食快速反应的替代假设。 由于晚期精子中的内源性核基因转录受到强烈抑制，快速反应可能取决于精子中已经存在的潜在因子的激活或关键因子从周围体细胞的转移。潜在因子激活的可能机制包括精子直接感知精液中存在的膳食营养素或通过受体-配体结合的细胞间信号传导。外泌体是小的细胞外囊泡，已知可在细胞之间转移 sncRNA，是 sncRNA（如 tsRNA）的体细胞到精子转移的候选者，也是影响精子活力的其他因素。在人类中，已知男性生殖道中的附睾主细胞和前列腺腺泡细胞会将这些外泌体释放到精液中。因此，外泌体转移是唯一已知的可能通过从头转录增加晚期精子中核 sncRNA 的机制。成熟精子中线粒体 sncRNA 的转录还不太清楚。sncRNA，小的非编码 RNA；tsRNA，tRNA衍生的小RNA。 <https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3000559.g007> 最近在小鼠身上的发现表明，雄性生殖道中的体细胞能够将 sncRNA 转移穿过精腔并进入成熟的精子 [ 26 , 27 , 51 – 53 ]。这种从体细胞到生殖细胞的 RNA 转移是一种将信息从一代传递到下一代的潜在途径，并表明移动 RNA 作为代际表观遗传的分子机制 [ 54 , 55 ]。RNA 的转移被认为是由外泌体介导的，外泌体是已知携带一系列生物活性分子（包括 sncRNA）的细胞外小囊泡，在人类精液中含量丰富 [ 56 , 57]。在人类中，男性生殖道中描述了两种类型的外泌体：来自附睾主细胞的附睾体和来自前列腺腺泡细胞的前列腺体。来自人类精液的前列腺小体的小 RNA-seq 已被证明含有 sncRNA，包括 tsRNA [ 57 ]，但尚不清楚它们是否可以将货物运送到成熟的精子中。然而，前列腺小体可以增加精子活力 [ 58 ]。因此，我们对短期饮食干预同时增加精子活力和 tsRNA 的发现与外泌体体细胞到生殖细胞的转移途径一致。 ==== tsRNA 在人类代谢代际效应中是否有作用？ ==== 在小鼠中，已表明 5'-GlyGCC，在精子中含量丰富并受低蛋白饮食影响，可抑制胚胎和胚胎干细胞中鼠内源性逆转录病毒增殖所必需的基因 [ 26 ]。此外，短 CCA-3'-tsRNA 已被证明可以抑制小鼠植入前干细胞中的这种类型的反转录转座子 [ 59 ]。因此，有人提出 tsRNA 在重编程到多能阶段期间防止转座因子的重新激活 [ 59]。有多种证据将转座因子的调节与代谢表型联系起来。首先（也是肥胖表观遗传的最好例子之一）是小鼠中agouti基因上游的反转录转座子的跨代控制[ 60 ]。此外，抑制反转录转座子的 SETDB1 和 TRIM28（也称为 KAP1）也可以调节小鼠的肥胖 [ 61 , 62 ]。因此，精子 tsRNA 有可能通过直接控制反转录转座子或含有从反转录转座子借来的调节元件的基因在胚胎中设置长期代谢程序，从而确定后代肥胖的风险。 考虑到越来越多的证据表明 sncRNA 是细胞间通讯的移动来源，有趣的想法是这种通讯在精子和卵子之间也有效。这得到了小鼠研究的有力支持 [ 24 , 26 , 28 ]，但由于伦理限制，此类研究很难在人类身上进行。尽管 Hua 及其同事最近对胚胎质量的研究 [ 34 ] 支持这一观点，但确凿的证据表明人类卵细胞正在对精子 sncRNA 池的变化做出反应，或者被称为 sncRNA 代码 [ 63]， 不见了。然而，我们已经表明，人类精子具有可塑性来重新配置精子 sncRNA 代码以响应快速的环境变化，这在其他物种中已成为下一代的信息。最重要的是，精子活力的平行反应和 sncRNA 代码的变化暗示男性生育能力和代际代谢反应之间可能存在共同的病因。 我们得出结论，人类精子对饮食变化非常敏感，并提出这种敏感性涉及 sncRNA 代码和精子功能之间的相互作用。这可能是由两个独立的途径驱动的，除以细胞分隔（核/线粒体）。对这些途径的进一步探索可能不仅对了解人类精子功能的全球衰退至关重要，而且可能为迄今为止仅在动物中描述的快速代际代谢反应提供可能的机制。 研究人员发现饮食很容易影响精子质量原文 Read more At: https://www.aninews.in/news/health/diet-easily-affects-quality-of-sperm-find-researchers20191229130101/ ====== Diet easily affects quality of sperm, find researchers** ====== ANI | Updated: Dec 29, 2019 13:01 IST Sweden [EUR], Dec 29 (ANI): Researchers have found a study that sperm is affected by diet and its results appear rapidly. The research also gave new insights into the sperm process which, in the long term, can continue to assess sperm values by modern testing methods. The study published in 'PLOS Biology' was found by researchers at Linkoping University who fed healthy young men a high sugar diet. Anita Ost, a senior lecturer in the Department of Clinical and Experimental Medicine at the University, and also the head of the study said: “We see that diet influences the motility of the sperm, and we can link the changes to specific molecules in them. Our study has revealed rapid effects that are noticeable after one to two weeks.” Many environmental and lifestyle factors, including obesity and related diseases, may affect sperm quality, such as type 2 diabetes, are well-known risk factors for poor sperm quality. Epigenetic anomalies, which influence physical properties or rates of gene expression, are of concern to the research group which conducted the new study, even if the genetic material, the DNA code, is not altered. In some cases, such epigenetic changes will contribute to the transmission of properties through the sperm or egg from parent to parent. In an earlier study, researchers have shown that male fruit flies that had eaten excess sugar shortly before the patient became overweight more often produced offspring. Scientists have hypothesized that RNA sperm fragments may engage in epigenetic processes, but it is too early to tell whether they do in human beings. The new study was initiated by the researchers to investigate whether high consumption of sugar affects the RNA fragments in human sperm. The study examined 15 normal, non-smoking young men, who followed a diet in which they were given all food from the scientists for two weeks. The diet was based on the Nordic Nutrition Recommendations for healthy eating with one exception: during the second week, the researchers added sugar, corresponding to around 3.5 litres of fizzy drinks, or 450 grammes of confectionery, every day. The sperm quality and other indicators of the participants' health were investigated at the start of the study, after the first week (during which they ate a healthy diet), and after the second week (when the participants had additionally consumed large amounts of sugar). One third had poor sperm motility at the beginning of the test. Motility is one of several factors influencing the quality of sperms, and that of the general population was the proportion of people with low sperm motility studied. The authors were surprised to learn that the motility of sperm of all participants during the research had become natural. “The study shows that sperm motility can be changed in a short period, and seems to be closely coupled to diet. This has important clinical implications. But we can't say whether it was the sugar that caused the effect, since it may be a component of the basic healthy diet that has a positive effect on the sperm,” said Anita Ost. The scientists have also observed that the tiny RNA fragments associated with sperm motility also changed. They now plan to carry on the research and explore whether there is a connection between male fertility and RNA sperm fragments. (ANI) 讨论列表 查看原帖及回帖
