《Aquaculture Reports》：Effects of ozone and oxygen nanobubbles on water quality, fish pathogens, and early life stages of rainbow trout (Oncorhynchus mykiss)
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为解决环境因子如何通过父本精子RNA影响鱼类子代性状及跨代遗传的机制尚不明确的问题，研究人员开展了关于鱼类精子RNA来源、影响因素及其在跨代遗传中作用的系统性综述。文章总结了精子RNA可来源于精子发生残余或胞外囊泡转运，并受激素、饮食、环境污染物等多种内外因素影响，其通过调控胚胎基因级联或重塑染色质构象介导父性性状的跨代遗传。该研究为水产养殖中亲本选育、人工繁殖优化及应对气候变化提供了重要的理论基础和潜在的应用方向。
在生命的长河中，父母不仅将基因密码传递给后代，还可能将自身经历的环境“记忆”一并馈赠。这种现象，即亲本（尤其是父本）在生命过程中因环境刺激（如营养、压力、污染物暴露）而获得的性状，能够在不改变DNA序列的情况下传递给子代甚至多代，被称为跨代表观遗传。在从鱼类到哺乳动物的脊椎动物中，这种父性效应的跨代传递已被广泛报道。传统上，DNA甲基化被认为是介导这种环境记忆传递的关键机制。然而，越来越多的证据表明，除了DNA甲基化，还存在其他替代机制。例如，在斑马鱼中，父本暴露于低氧环境会改变后代对低氧的表型反应；而一些获得的性状，如代谢和内分泌紊乱，即使在精子DNA甲基组的表观突变恢复后，仍能持续多代。这些例子指向了一个新兴的焦点：精子RNA。
精子，这个曾经被认为仅仅是为受精贡献一套父本基因组的简单细胞，如今被发现携带着丰富的RNA“货物”。这些RNA不仅仅是精子发生过程中的残留“遗迹”，更可能是在精子成熟过程中，通过胞外囊泡（Extracellular Vesicles, EVs）从体细胞主动获取的“信息包”。当精子与卵子结合时，这些RNA被带入受精卵，成为调控早期胚胎发育、重新建立父本获得性状的潜在媒介。在鱼类中，已经鉴定出包括tRNA来源的小RNA（tsRNAs）、PIWI互作RNA（piRNAs）、微小RNA（miRNAs）和小核RNA（snRNAs）在内的多种精子RNA，它们能够响应环境变化，因此可能参与了父性遗传。然而，关于这些精子RNA及其修饰在鱼类亲本特征遗传给后代过程中的具体贡献，我们知之甚少。鱼类生活的水生环境高度多变，温度波动、缺氧、污染物、应激等因素时刻影响着其生殖健康。阐明精子RNA如何作为环境与后代之间的信使，不仅对理解生命进化的奥秘至关重要，也对水产养殖的可持续发展、鱼类资源保护以及应对全球气候变化具有不可估量的价值。
为了系统揭示鱼类精子RNA在跨代遗传中的作用，本文的作者们——Zhijun Ma, Songpei Zhang等研究人员，在《Aquaculture Reports》上发表了一篇综述文章。他们没有进行特定的湿实验，而是采用文献综述的研究方法，对现有已发表的科学研究进行了系统性的梳理、归纳与分析。他们广泛检索和回顾了涉及鱼类（如斑马鱼、青鲱、大西洋鲑、黄颡鱼、稀有鮈鲫、海鲷、牙鲆等多种物种）以及哺乳动物（如小鼠、大鼠）的相关研究，重点关注精子RNA的来源、影响因素及其介导跨代遗传的分子机制。通过整合比较基因组学、转录组学、表观转录组学以及功能获得/缺失实验（如RNA显微注射）等多方面的证据，构建了一个关于鱼类精子RNA生物学及其在跨代遗传中功能的综合框架。
1. 精子RNA的来源
精子的RNA主要有两大来源：内部衍生和外部衍生。
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内部衍生：在精子发生过程中，精子细胞会丢弃大量RNA和细胞器。理论上，这些来自生精阶段的转录残留物会在体内储存过程中降解。然而，有证据表明，一些鱼类（如金头鲷）的射出精子仍保持转录活性，能够进行从头转录，合成与运动相关的基因RNA。此外，哺乳动物精子中存在内源性环状RNA（circRNA）的生物合成，以及成熟miRNA的生物合成能力，提示精子细胞自身可能具备一定的RNA生成与加工功能。在斑马鱼、黄颡鱼等鱼类中，体外储存的精子甚至出现基因表达上调的现象，这可能与精子细胞中转录激活的维持有关，这种维持RNA库稳态的转录能力可能是从鱼类到哺乳动物的脊椎动物中一个保守的特征。
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外部衍生：胞外囊泡是膜结合的微囊泡，含有包括RNA在内的多种分子成分。在哺乳动物中，附睾体（一种EVs）已被证明能将mRNA、长链非编码RNA（lncRNA）、miRNA、tsRNA和线粒体tRNA片段（mt-tRNAs）递送到精子细胞。在鱼类中，来自卵生鱼类（如半滑舌鳎）精液的外泌体中富含piRNA；在大西洋鲑鱼中，精子和精浆中的miRNA积累模式存在差异，这提示在卵生鱼类中，精子成熟可能涉及外泌体RNA的内化。更有趣的是，在胎生鱼类中，精子进入雌性生殖道会刺激卵巢反应，释放外泌体，这些外泌体通过与精子中段结合来递送RNA，对维持精子功能和成功受精至关重要。此外，血清来源的RNA也可能通过外泌体介导的递送被运输到精子。这些发现共同强调了存在于卵巢液和精浆中的EVs在介导向精子递送RNA、从而影响其功能能力和父性遗传潜力方面的作用。
2. 影响精子RNA谱的因素
精子RNA的组成受到多种内在和外界因素的复杂调控。
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内在因素：
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激素：鱼类精子发生受下丘脑-垂体-性腺（HPG）轴激素的精密调控。激素可以作为上游调节因子影响精子中的编码和非编码RNA。例如，在金头鲷中，水通道蛋白家族基因的表达受促性腺激素通过雄激素依赖性机制调节；在牙鲆中，miR-200a的过表达可调节支持细胞中的基因表达。同时，RNA也可以反向上游调控激素通路，这表明生殖激素和精子RNA之间存在双向调节。在卵生鱼类中，精子进入雌鱼生殖道会触发HPG轴激素的动态变化，进而刺激体细胞释放外泌体，这些外泌体可能将差异表达的RNA转移给精子，影响胚胎发育。
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年龄：父本年龄显著影响哺乳动物精子RNA谱。在鱼类中，亲鱼年龄显著影响精子性能和后代适合度，但关于年龄对精子RNA谱影响的研究很大程度上被忽视了。此外，精子老化（如在体外短期储存或冷冻保存后）也会导致精子RNA谱的全局性改变，这可能在水产养殖中扮演重要角色。
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性染色体：在哺乳动物中，携带X染色体和Y染色体的精子（X-精子和Y-精子）可能保留不同的RNA。鱼类性别决定系统多样，在黄颡鱼中，来自XX新雄鱼的X-精子和来自YY超雄鱼的Y-精子中存在大量特异表达的mRNA。因此，性染色体可能是导致不同染色体剂量的精子具有不同RNA谱的候选因素。
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外界因素：
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饮食：膳食营养通过调节生殖组织中的基因表达模式来关键性地调控鱼类配子发生。在哺乳动物中，饮食干预直接调节精子中的RNA生物发生。在青鳉中，叶酸缺乏会导致精子中小非编码RNA组分及其修饰的广泛动态变化，这与Dnmt2甲基转移酶有关。维生素K补充可提高塞内加尔鳎的精子质量，可能与循环系统中非编码RNA表达的改变有关。
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污染物：越来越多的证据揭示了环境污染物对鱼类精子功能特性和RNA谱的负面影响。研究表明，斑马鱼、青鳉、稀有鮈鲫等暴露于双酚A（BPA）、17α-乙炔基雌二醇（EE2）等污染物后，睾丸和/或精子中的RNA谱会发生改变，并且这种变化可能与其导致的子代畸形（如颅面软骨发育异常、心脏畸形等）的跨代遗传有关。污染物诱导的生殖障碍的多代遗传是明确的，但RNA在这些过程中的作用大多未知。
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缺氧：缺氧可诱导生殖损伤并具有跨代效应。在鱼类中，缺氧会改变睾丸mRNA和miRNA谱，许多差异表达的mRNA是差异表达miRNA的靶标。虽然精子RNA谱在缺氧后的变化尚未被研究，但睾丸RNA的变化提供了令人信服的证据，表明精子RNA也可能受到影响。值得注意的是，DNA甲基化可能不是缺氧诱导的父本获得性状跨代遗传的主要驱动机制，而精子RNA修饰（如m7G, Am, Gm, Ψ）的变化可能更为关键。
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温度：亲本经历的温度可以影响后代。睾丸和雄性生殖细胞RNA对环境温度高度敏感。温度影响热休克蛋白（HSP）的RNA谱。有研究模拟海洋变暖情景，发现野生海刺鱼精子、卵母细胞和胚胎中的许多RNA转录本发生改变，精子RNA的跨代遗传赋予后代更好地应对环境温度胁迫的能力。阐明精子RNA在跨代遗传中的作用，对于理解应对全球气候变化的适应性进化至关重要。
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应激：应激诱导的获得性表型通过精子DNA甲基化的变化跨代传递已被广泛认知，而由精子RNA谱改变介导的替代机制也已被阐明。在斑马鱼中，应激诱导的精子非编码RNA谱变化有助于应激记忆的父性遗传。应激暴露导致精子质量下降，幼虫中数千个mRNA的谱发生变化。尽管有这些研究，但精子RNA对应激的反应在鱼类中的作用很大程度上被忽视了。
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其他因素：如活性氧（ROS）、病原体模拟刺激、创伤、体育锻炼等因素也已被观察到可调节哺乳动物精子RNA谱。鱼类栖息的水生环境高度可变，使它们更容易受到ROS、病原体、寄生虫和其他形式应激的影响，这些因素可能改变精子RNA谱，从而对生殖障碍产生跨代影响。
3. 精子RNA在跨代遗传中的机制
精子RNA主要通过两种主要机制介导父本获得性状的跨代遗传。
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调控胚胎中的基因级联：精子的mRNA或非编码RNA在受精时被递送到卵母细胞。精子miRNA可以通过转录后机制失调卵母细胞基因的表达，从而重现父本获得的性状。例如，在斑马鱼中，父本应激后精子中差异表达的miRNA以上述方式靶向卵母细胞中的mRNA，影响胚胎发育相关的信号通路（如线粒体自噬和Notch信号通路）。在稀有鮈鲫中，暴露于BPA的父本精子miRNA变化，与子代胚胎中靶基因（如bmp2a和runx1）的表达改变及相关颅面软骨异常有关。除了miRNA，精子来源的胰岛素受体基因（insra/b）及其下游信号通路被提出介导斑马鱼心脏畸形的父性遗传。跨代遗传似乎需要RNA具有较长的半衰期，环状RNA因其更长的半衰期和在生殖系中被翻译的能力，可能是有潜力的多代遗传介质。
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重塑染色质构象：染色质转录活性与DNA或组蛋白的化学修饰高度相关。精子RNA通过重塑染色质构象在父性遗传中的功能作用在哺乳动物中日益明显。例如，精子miRNA可能靶向跨代遗传的差异DNA甲基化区域，帮助其在初始胚胎表观遗传重编程中建立或逃避。暴露于PM2.5的小鼠精子中piRNA的上调，可导致子代精子中Tet1 mRNA表达下调，触发特定基因的超甲基化，从而将雄性原发性性腺功能减退症从F0代传递到F2代。在鱼类中也有类似的作用机制。例如，在海刺鱼中，甲基转移酶（dnmt1, dnmt3bb.2, ehmt2）的转录本在精子和胚胎发生开始时持续表达增加，这表明与甲基转移酶相关的RNA可能参与了精子和胚胎中染色质构象的重塑。在低氧条件下的青鳉精子中，也观察到ehmt2的一致表达谱，这与组蛋白修饰水平（H3K9me2）的增加以及多代精子质量和数量的显著下降相关。总体而言，一个潜在的跨代遗传途径可以总结为：温度、缺氧和营养应激 → 改变与染色质修饰相关的精子RNA → 重塑胚胎染色质构象 → 子代出现适应性改变、生殖潜力下降、颅面软骨发育缺陷等表型。
结论与讨论
本综述系统地阐明，受各种内在和环境因素影响的动态精子RNA，介导了鱼类祖先获得性状的跨代遗传。精子RNA既可以作为精子质量和亲鱼状态的生物标志物，也可以作为环境与后代之间的表观遗传信使，通过调控胚胎基因表达或重塑染色质构象，将父本的环境经历“编码”并传递给下一代。
这项研究的意义重大。首先，它深化了我们对鱼类乃至脊椎动物跨代表观遗传机制的理解，特别是揭示了DNA甲基化之外的、由RNA介导的重要途径。其次，研究指出，通过操控特定时间点的环境条件，有可能利用精子RNA促进有益的跨代遗传或适应性，这为水产养殖实践带来了新的机遇。例如，识别与精子浓度和质量相关的RNA，可以为精子储存能力和繁殖效能标记提供有价值的信息，有助于亲鱼选育。此外，理解环境波动如何通过精子RNA影响后代，有助于设计更接近自然环境的人工养殖环境，以减轻环境波动的不利影响，优化人工繁殖策略，并在全球气候变暖的背景下，从个体到种群层面综合考虑养殖物种的生产力和健康，最终实现水产养殖的可持续发展。
然而，该领域仍有许多悬而未决的问题。例如：（i）父本环境刺激导致精子RNA生成或修饰的具体机制；（ii）RNA在合子中“编码”的可能机制；（iii）精子RNA获得长半衰期和稳定性、使其能够在受精时转移到卵母细胞的机制；（iv）在高度异质性的EVs中，目标RNA通过主动分选或随机摄取后功能过滤的方式，在雄性和雌性生殖道中被选择性装载的潜在机制；（v）精子RNA在胚胎编程中的生物学作用。此外，了解精子中是否发生从头RNA转录，以及这种转录的机制是什么，也同样重要。
鱼类栖息在高度多变的水生环境中，任何环境因素的变化都可能影响精子发生、精子质量和受精成功。亲鱼的环境经历可以驱动下一代的预适应。不同生命周期阶段的鱼类对各种环境因素表现出不同的敏感性。因此，确定不同物种在不同生命周期阶段对各种环境因素最脆弱的时期至关重要。本综述强调了开发尽可能模仿自然环境的人工环境的潜力，以减轻水产养殖中环境波动的不利影响。这样的环境可以为优化亲鱼选择、人工繁殖和生物多样性保护策略提供宝贵的数据，最终使水产养殖的可持续发展受益。
