多组学分析揭示了小鼠睾丸在累积热应激后的分子紊乱现象

《Comparative Biochemistry and Physiology Part D: Genomics and Proteomics》：Multi-omics analysis reveals molecular disruption in mouse testes following cumulative heat stress

高温胁迫导致小鼠精子活力下降及睾丸结构异常的整合多组学研究。通过转录组、蛋白质组和代谢组联合分析，揭示高温下能量代谢、抗氧化防御和激素合成的同步失调，最终影响精子存活和生殖能力。

　　

Mohammad Ammar Baibrus|Farwa Nazir|Run Zhou|Hao Xiong|Qiuxia Liang|Anqi Huang|Adnan Majeed|Guangbin Zhou|Guozhi Yu

四川农业大学生命科学学院，新康路46号，625014，雅安，中国

摘要

全球气温上升威胁着男性的生育能力，但热应激破坏精子发生的分子机制仍不完全清楚。我们采用了一种整合的多组学方法，结合转录组学、蛋白质组学和代谢组学，研究了亚致死性热应激（HS）对雄性小鼠睾丸和精子的影晌。研究结果表明，热应激显著降低了精子的活动能力，并破坏了生精小管的结构。多组学分析显示，调节糖酵解、鞭毛组装和抗氧化防御的通路出现同步下调，同时类固醇激素的产生和氧化还原平衡也受到干扰。这些系统性变化共同导致了能量代谢缺陷、精子存活率异常以及对氧化应激的耐受性降低，最终降低了生殖潜力。本研究提供了关于热应激对小鼠睾丸分子影响的综合多组学视角，并突出了与男性生殖功能受损相关的共同通路。

引言

气候变化导致的全球环境温度升高是二十一世纪最严重的环境挑战之一，对生态系统稳定性、物种生存和人类健康有着深远的影响。当前的气候预测表明，未来十年平均温度将上升1°C，到2050年将进一步上升0.8至2.8°C，到2070年可能达到5°C（Lewis Baida等人，2021年）。

这种温度变化预计会严重损害各种脊椎动物的生殖表现，导致对温度敏感的种群选择性灭绝，同时有利于具有更强适应能力的生物（Parmesan，2006年）。由于极端天气事件的频率增加，生物体非针对性的防御机制在强烈热暴露下不堪重负的情况变得越来越普遍和关键（Romanello等人，2024年）。

男性生殖系统，尤其是睾丸，对高温极为敏感。哺乳动物的精子发生是一个温度敏感的过程，需要阴囊温度比核心体温低2-8°C才能产生形态正常且具有活动能力的精子（Hansen，2009年；Wu等人，2020年）。这种温度调节得益于阴囊的解剖学和生理学适应性，包括皮下脂肪少、毛发覆盖少以及高效的逆流血管网络（Pham和Schultz，2021年）。

尽管有这些机制，即使睾丸温度短暂升高也会干扰精子发生，从而导致生育能力下降（Robinson等人，2023年），表现为精子产量减少、活动能力受损和DNA片段化增加（Pérez-Crespo等人，2008年；Wechalekar等人，2016a；Gong，2017年）。实验模型显示，暴露在42°C下30分钟会显著降低小鼠附睾中的精子浓度、存活率和运动参数（Pérez-Crespo等人，2008年）。轻微的热应激还会导致生精小管结构退化和精子发生异常（Zhu等人，2004年；Pérez-Crespo等人，2008年；Hansen，2009年；Wechalekar等人，2016a；Gong，2017年；Rizzoto等人，2020年）。

在细胞水平上，热应激会引起多方面的应激反应，包括线粒体功能障碍、活性氧（ROS）积累（Li等人，2019年）、细胞凋亡诱导（Chen等人，2020年）以及代谢稳态破坏（Belhadj Slimen，2014年）。这些紊乱通过进化保守的信号通路介导，包括热休克因子（HSFs）（Murshid，2017年）、MAPK（Guan等人，2018年）、AMPK（Yu等人，2018年）和PI3K/AKT（Richter等人，2010年），这些通路共同协调转录、翻译和翻译后适应以应对蛋白质毒性应激。此外，热应激还会在多个分子层面上引起广泛变化——改变mRNA（Li，2019年）、microRNA（Li等人，2018年）和蛋白质（Anderson等人，1982年）的表达，并重新调整对生殖细胞发育和类固醇生成至关重要的基因调控网络（Wang等人，1997年；Belhadj Slimen，2014年；Belhadj Slimen等人，2016年；Murshid，2017年；Houston等人，2018年；Li等人，2019年；Chen等人，2020年；Wu等人，2020年）、MAPK（Guan等人，2018年）、AMPK（Yu等人，2018年）和PI3K（Richter等人，2010年）的表达，包括mRNA（Li，2019年）、microRNA（Li等人，2018年）和蛋白质组学（Anderson等人，1982年；Rizzoto等人，2020年）。以往关于热应激引起的男性生殖功能障碍的研究主要采用单一组学方法，如对睾丸或精子的转录组学或蛋白质组学分析（Gong，2017年；Shahat等人，2020年；Sui，2022年）。尽管这些研究确定了热响应基因和蛋白质，但它们对转录变化如何转化为蛋白质丰度和代谢功能的理解有限，特别是在转录后调控广泛的生殖细胞中。为了解决这一关键问题，我们采用了一种系统生物学方法，结合转录组学、蛋白质组学和代谢组学分析，来研究小鼠睾丸和精子对重复性、生态相关热应激（43°C，每天20分钟，持续30天）的时间响应。我们的研究旨在：1）揭示基因、蛋白质和代谢物表达网络的同步变化；2）确定热应激引起的生殖缺陷的关键通路和生物过程；3）提供一个将分子失调与精子质量和睾丸形态的表型结果联系起来的整体框架。通过整合多组学数据集，这项工作不仅阐明了睾丸热应激的系统性特征，还突出了对生物多样性保护和人类生殖健康具有意义的保守分子脆弱性。

伦理批准

本研究获得了四川农业大学伦理委员会的批准（中国四川，编号20250670）。

动物模型和实验设计

从成都大硕实验动物有限公司（中国成都）购买了48只8-12周大的C57BL/6雄性小鼠（体重22-26克）。动物在受控的实验室环境中饲养（温度21-22°C，相对湿度50-70%，12小时光照/黑暗周期），并可自由获取普通饲料和水。适应一周后，小鼠被随机分组

长时间热应激会损害精子的活动能力和形态完整性

为了评估热应激对男性生殖表现的功能影响，小鼠每天暴露在43°C的环境中20分钟，持续30天。随后从尾部附睾收集精子，并使用计算机辅助精子分析（CASA）进行检测。热应激导致精子运动参数显著且逐渐下降。到第15天时，热应激组的总精子活动能力降至45.5±2.8%，而对照组为79.9±4.9%（p

讨论

全球气候变化的加剧，表现为平均温度的上升，对生物多样性和生殖健康构成了重大且紧迫的威胁（Parmesan，2006年）。在这种情况下，了解热应激对男性生育能力的生物学影响变得至关重要。在这项研究中，我们采用了包括转录组学、蛋白质组学和代谢组学在内的综合多组学方法来研究渐进性热应激的生物学效应

局限性

尽管这项研究通过多组学分析提供了宝贵的分子变化见解，但一个局限性是缺乏定量PCR（qPCR）分析。

作者贡献声明

Mohammad Ammar Baibrus：正式分析、数据管理、概念化。Farwa Nazir：写作——审稿与编辑、验证、资源管理、数据管理、概念化。Run Zhou：写作——审稿与编辑、软件使用、实验研究。Hao Xiong：写作——审稿与编辑、软件使用、实验研究。Qiuxia Liang：写作——审稿与编辑。Anqi Huang：写作——审稿与编辑。Adnan Majeed：写作——审稿与编辑。Guangbin Zhou：写作——审稿与编辑、验证、概念化。

资助

本工作得到了中国国家重点研发计划（编号2023YFD1300801–05）的支持。

利益冲突声明

作者与手稿中讨论的主题没有任何直接或间接财务利益关系的组织。