发育压力对早熟鸟类成年精浆蛋白质组的实验证据：产前与产后应激对日本鹌鹑精泡蛋白质组的影响

《Molecular Ecology》：Experimental Evidence That Prenatal and Postnatal Developmental Stress Affects the Adult Seminal Fluid Proteome in a Precocial Bird

本文通过实验证明，产前（母体投资水平）和产后（饮食蛋白限制）发育压力会显著改变日本鹌鹑（Coturnix japonica）雄性特有的精泡（seminal foam）蛋白质组成。研究利用液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）技术首次系统解析鹌鹑精泡蛋白质组，发现发育压力诱导蛋白质丰度变化，涉及脂质代谢、染色质组织、氧化应激及能量代谢等相关通路。这些变化可能通过影响精子功能、免疫调节及氧化平衡，对雄性生育力产生长期影响，为早期环境压力对成年生殖投资的影响提供了新视角。

　　

摘要

本研究首次系统表征了日本鹌鹑（Coturnix japonica）雄性特有的精泡（seminal foam）蛋白质组，并探讨了产前（通过人工选育高/低母体投资系）和产后（通过饮食蛋白限制）发育压力对成年雄性精泡蛋白质组成的长期影响。利用液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）技术，研究在精泡中鉴定出608种蛋白质，其中224种在至少3个重复样本中被检测到。基因本体（GO）分析表明，这些蛋白质涉及精子成熟、DNA保护、精液液化、精子质膜稳态及精子运动能量供应等功能。

1 引言

精浆蛋白质（SFPs）在调节雄性生育力和繁殖成功中起关键作用，但其丰度如何响应早期发育压力尚不明确。日本鹌鹑的精泡是精浆的一种独特组分，由泄殖腔腺分泌，在受精过程中促进精子竞争成功。先前研究表明，精泡可延长精子运动时间、提高精子速度，并可能通过提供能量底物（如乳酸）支持精子功能。然而，发育压力（如营养限制）是否通过改变精泡蛋白质组影响成年繁殖投资仍待揭示。

2 材料与方法

2.1 研究群体与早期压力实验设计

实验1（产前压力）：利用人工选育系（高 vs. 低母体投资系）模拟产前发育压力。选育至第4代时，低投资系卵大小显著减小（差异1.06个标准差）。从第5–6代选育系中采集1岁雄性鹌鹑精泡样本（高投资系8只，低投资系9只），通过非侵入性按摩法收集纯泡沫样本。

实验2（产后压力）：通过孵化后饮食干预（标准蛋白饮食21.0% vs. 蛋白限制饮食14.5%）模拟产后发育压力。雄性在性成熟后（标准饮食组平均45天，限制组69天）统一改用成年标准饮食，在117日龄左右采集精泡样本（标准饮食组21只，限制组24只）。

2.2 样本制备与蛋白质组学分析

样本经丙酮沉淀法提取蛋白质，酶切后通过S-Trap柱富集肽段，使用Orbitrap Exploris E480质谱仪进行LC-MS/MS分析。数据通过MaxQuant（v.1.6.10.43）搜索鹌鹑蛋白质数据库（UniProt ID: UP000694412），以1%错误发现率（FDR）控制鉴定质量。蛋白质丰度比较采用log₂转换和Student t检验（p< 0.05，经Benjamini-Hochberg校正），并通过DAVID进行GO富集分析。

3 结果

3.1 产前发育压力对精泡蛋白质组的影响

在产前压力实验中，低母体投资系雄性精泡中48种蛋白质丰度显著升高（log₂FC > 1.5），涉及脂质代谢过程（如胰腺脂肪酶相关蛋白）、氧化应激（如果糖二磷酸醛缩酶、α-烯醇化酶）和炎症反应（如白介素受体附件蛋白、抗生物素蛋白）。主成分分析（PCA）显示处理组间明显分离（PC1=41.1%）。这些蛋白质的富集提示低投资系雄性可能面临氧化损伤和生殖道炎症。

3.2 产后发育压力对精泡蛋白质组的影响

在产后压力实验中，蛋白限制饮食组雄性精泡中72种蛋白质丰度显著升高，主要富集于核小体组装、染色质组织、碳代谢和氧化应激相关通路（如组蛋白H4、免疫球蛋白λ样多肽1）。其中9种蛋白质在产前和产后压力实验中均显著上调，包括α-淀粉酶、转酮醇酶、苹果酸脱氢酶、ATP合酶亚基α等代谢相关蛋白，表明发育压力诱导了保守的代谢适应反应。

3.3 精泡蛋白质组的整体特征

鹌鹑精泡蛋白质组与鸡（Gallus gallus）精浆蛋白质组存在部分重叠（7.6%–39.6%），但仍有231种蛋白质为鹌鹑特有，显著富集于蛋白酶解功能。精泡蛋白质的基因保守性较高（96.4%有鸡直系同源物），提示其功能在鸟类进化中较为稳定。

4 讨论

4.1 产前压力与生殖功能受损

低母体投资系雄性精泡中脂质代谢酶和氧化应激标志物（如醛缩酶、烯醇化酶）的上调，可能反映其精子成熟过程受阻或氧化平衡失调。炎症相关蛋白（如IL1RAP、抗生物素蛋白）的升高进一步表明早期压力可能导致成年后生殖道慢性炎症，进而影响受精效率。

4.2 产后压力与精液功能适应

蛋白限制饮食组雄性通过上调糖酵解酶（如GAPDH、丙酮酸激酶）和抗氧化蛋白（如醛酮还原酶B10），可能尝试维持精子能量供应并缓解氧化损伤。然而，组蛋白和免疫球蛋白轻链的升高也提示染色质结构异常和炎症状态，可能损害精子DNA完整性。

4.3 代谢适应与氧化平衡的权衡

两类发育压力均引起代谢通路蛋白（如ATP合酶、苹果酸脱氢酶）的上调，这可能是一种补偿性机制，通过增强能量代谢支持精子功能。但代谢活性的增加也可能加剧活性氧（ROS）产生，导致氧化应激与生殖投资之间的权衡。

5 结论

本研究表明，早期发育压力可通过改变精泡蛋白质组组成对雄性繁殖性状产生长期影响。这些变化不仅涉及氧化应激和炎症反应，还体现了代谢通路的重编程，为理解早期环境压力通过精浆介质影响成年生育力提供了分子基础。未来研究可关注这些蛋白质变化对精子功能、雌性生殖道免疫调节及跨代效应的具体机制。