《Aquaculture Reports》：The sperm RNA payload in fishes: A vector for paternal inheritance and memory
编辑推荐：
本文系统梳理了鱼类精子RNA的种类、来源及其在介导父系获得性状跨代遗传中的关键作用。综述指出，精子RNA既可能来源于精子发生过程的残留，也可能通过胞外囊泡在输精管内成熟时获取，其组成受激素、年龄、饮食、环境污染物等多种内外因素影响。这些RNA在受精时传递至胚胎，通过调控胚胎基因级联或重塑染色质构象，实现了对环境（如缺氧、温度、胁迫）的适应性“记忆”的遗传，为水产养殖的育种和物种保护提供了新的见解和潜在生物标志物。
1. 引言
在生命的长河中，遗传信息通常被认为稳定地编码在DNA序列里。然而，越来越多的证据揭示，除了经典的DNA甲基化等表观遗传机制，精子携带的RNA也在父系获得性状的跨代传递中扮演了关键信使的角色。在鱼类乃至整个脊椎动物中，父本暴露于特定环境（如缺氧）可改变子代对应环境的表型响应，而精子RNA被认为是这种“记忆”传递的重要载体。研究表明，鱼类精子中含有多种RNA，包括tRNA来源的小RNA（tsRNA）、PIWI互作RNA（piRNA）、微小RNA（miRNA）和小核RNA（snRNA）等，它们能够响应环境变化，并可能参与父系遗传。这为理解环境如何通过生殖细胞影响后代适应力，以及如何应用于水产资源管理，开启了新的研究方向。
2. 精子RNA的来源
鱼类的精子RNA并非凭空产生，它们主要有两大来源：内部遗留和外部获取。
2.1. 内部来源
精子在发生过程中会经历剧烈的形态和生化重塑，丢弃大量细胞质和RNA。然而，并非所有转录本都被清除。一些RNA被选择性保留在成熟精子中，成为精子发生阶段的“转录残留物”。例如，在金头鲷的精子中，发现了可能与精子运动相关基因的从头转录证据。此外，精子自身可能具备一定的RNA生物合成能力，哺乳动物精子中已发现存在前体miRNA及核心加工组件，提示其拥有内源性成熟miRNA的生物合成潜能。理论上，储存过程中的RNA会降解，但在斑马鱼、黄颡鱼等鱼类中，观察到体外储存的精子有基因表达上调的现象，这暗示了精子可能保有转录活性，以维持RNA库的稳定。
2.2. 胞外来源
胞外囊泡是介导细胞间通讯的重要信使，能够携带蛋白质、脂质和核酸（包括RNA）在细胞间传递。在哺乳动物中，附睾体（一种胞外囊泡）已被证实可将mRNA、lncRNA、miRNA、tsRNA等递送给精子细胞。在鱼类中，类似的机制也存在。例如，在胎生鱼类中，外泌体可通过结合精子中段将RNA传递给精子。当精子进入雌鱼生殖道后，雌性生殖系统的响应会刺激外泌体释放，这些外泌体对维持精子功能、促进成功受精至关重要。在卵生鱼类如半滑舌鳎的精液中，也发现了富含piRNA的外泌体。这些发现共同强调了存在于卵巢液和精浆中的胞外囊泡，在介导向精子递送RNA、影响精子功能及潜在父系遗传能力方面的重要作用。然而，一个关键问题仍未解决：精子细胞如何从高度异质性的胞外囊泡群体中，均一地获取相同的RNA？
3. 影响精子RNA谱的因素
精子RNA的“货物清单”并非一成不变，它受到众多内部和外部因素的精细调控。
3.1. 内部因素
- •
激素：下丘脑-垂体-性腺轴激素级联反应是调控鱼类精子发生的关键。例如，在金头鲷中，水通道蛋白基因的表达受促性腺激素通过雄激素依赖机制的紧密调控。在大菱鲆中，水通道蛋白1在囊肿内成熟精子中呈现阶段特异性高表达，对维持鱼类精子运动力不可或缺。同时，miRNA也被发现可调控激素通路，例如在日本牙鲆中，miR-200a的过表达可上调dmrt1和gsdf。这表明生殖激素与精子RNA之间存在双向调节，共同影响精子质量与子代适应度。
- •
年龄：父本年龄显著影响哺乳动物精子RNA谱。在鱼类中，亲鱼年龄也广泛影响精子性能和子代健康，但关于年龄对鱼类精子RNA谱影响的研究尚很缺乏。此外，精子自身的“老化”（如冷冻保存或短期体外储存）也会改变其RNA景观。例如，斑马鱼精子短期储存会导致精子mRNA谱的全局性变化。这表明精子年龄是影响其RNA载荷、进而可能参与跨代遗传的重要因素。
- •
性染色体：鱼类性别决定系统多样且灵活。在哺乳动物中，携带X和Y染色体的精子RNA谱可能存在差异。在鱼类如黄颡鱼中，来自XX假雄鱼的X精子和来自YY超雄鱼的Y精子中也存在大量特异性表达的mRNA。因此，性染色体可能是导致携带不同剂量性染色体精子RNA谱差异的候选因素。
3.2. 外部因素
- •
饮食：膳食营养通过调控生殖组织基因表达模式，关键性地影响鱼类配子发生。研究表明，饮食干预可直接调节精子RNA的生物合成。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甲基转移酶相关。补充维生素K可通过改变循环系统中的非编码RNA表达，显著提高塞内加尔鳎的精子质量。
- •
污染物：环境污染物对鱼类精子功能特性和RNA谱有负面影响。斑马鱼暴露于双酚A会导致F0和F1代精子中胰岛素受体基因表达降低，以及F1和F2代胚胎中的相应变化。稀有鮈鲫F0代雄鱼暴露于双酚A会改变F0代精子中的miRNA以及F1代胚胎中bmp2a和runx1的表达。这些研究表明污染物诱导的生殖障碍存在多代遗传，但RNA在此过程中的作用大多未知。
- •
缺氧：缺氧可诱导生殖损伤并具有跨代效应。在雄性海洋青鳉中，缺氧同样改变了睾丸mRNA和miRNA谱，其中许多差异表达的mRNA是差异表达miRNA的靶标，例如miR-125-5p靶向ehmt2。值得注意的是，驱动父系获得缺氧表型跨代遗传的可能不是DNA甲基化，而是精子RNA修饰（如m7G, Am, Gm, Ψ）的改变。缺氧的影响部分由下丘脑-垂体-性腺轴激素介导。
- •
温度：亲本经历的温度可以影响后代。温度显著改变水生动物睾丸和雄性生殖细胞RNA谱。在哺乳动物中，父本冷暴露通过精子甲基组和转录组的关键作用，增强了后代褐色和米色脂肪组织的代谢功能。在野生海洋刺鱼中，模拟海洋变暖情景揭示了许多RNA转录本在精子、卵母细胞和胚胎景观中发生改变。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。
- •
胁迫：胁迫诱导的获得性表型可通过改变精子DNA甲基化实现跨代传递，而改变精子RNA谱的替代机制也已被阐明。在斑马鱼中，胁迫诱导的精子非编码RNA谱变化有助于胁迫记忆的父系遗传。研究表明，暴露于七种不同胁迫源21天后，斑马鱼精子质量恶化，幼虫中数千个mRNA的谱发生改变。虽然相关研究有限，但精子RNA对胁迫的响应在鱼类中的作用亟待更多实验探索。
- •
其他因素：活性氧、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。鱼类栖息于高度多变的水生环境，更易受到这些因素的影响，这些因素可能改变精子RNA谱，从而对生殖障碍产生跨代效应。
4. 精子RNA在跨代遗传中的作用机制
精子RNA如何将父辈的“记忆”写入子代的发育蓝图？目前认为主要有两大途径。
4.1. 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中。这些RNA可通过转录后机制影响胚胎发育。例如，精子miRNA可通过与靶mRNA的3‘UTR结合，抑制其翻译。在斑马鱼中，父本胁迫后精子中差异表达的miRNA，靶向卵母细胞中参与线粒体自噬和Notch信号通路等基因级联的mRNA。在稀有鮈鲫中，双酚A暴露导致精子miRNA变化，进而干扰胚胎中bmp2a和runx1等基因的表达，介导颅面软骨异常的跨代遗传。此外，精子携带的胰岛素受体及下游信号通路，也被认为在斑马鱼心脏畸形的父系遗传中起作用。通常RNA半衰期较短，但环状RNA因其更长的半衰期和在生殖系中被翻译的能力，可能是介导多代遗传的有力候选者。
4.2. 重塑染色质构象
染色质的转录活性与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系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，协助其在初始胚胎表观遗传重编程中建立或逃逸。在鱼类中，类似的机制已被检测到。海洋刺鱼的研究显示，甲基转移酶转录本在精子和胚胎发生初期持续表达增加，提示与甲基转移酶相关的RNA可能参与重塑精子和胚胎中的染色质构象。在低氧条件下的青鳉精子中，ehmt2的一致表达谱与组蛋白修饰水平增加、以及多代精子质量和数量显著下降相关。miR-125-5p可靶向ehmt2，其家族成员在豚鼠和斑马鱼精子中发生显著改变并介导父系遗传。因此，miR-125-5p的失调可能改变ehmt2表达，从而通过重塑后代染色质结构，干扰下游基因的转录。另一个甲基转移酶家族成员dnmt2，则通过重塑tRNA甲基化并稳定其产物tsRNA，在哺乳动物和鱼类的精子中介导获得性状的跨代传递。总而言之，一个潜在的跨代遗传通路可概括为：环境因素（温度、缺氧、营养等）→改变与染色质修饰相关的精子RNA→重塑胚胎染色质构象→改变子代的热适应、降低生殖潜力、导致颅面软骨发育缺陷等。
5. 对水产养殖的潜在用途
证据表明，鱼类经历水体中波动的氧气水平和温度，可驱动其后代预先适应其祖先经历过的类似环境。这为水产养殖的选择性育种和人工繁殖策略优化带来了机遇。表观遗传和遗传学方法有助于促进选择性育种和理解适应性进化。在此方面，RNA可被视为生物标志物。例如，与精子质量高度相关的bdnf、bik和kita等mRNA，已被确定为斑马鱼和金头鲷中亲鱼质量的标记。精子RNA已被广泛用作哺乳动物和鱼类精子质量的生物标志物。鉴定与精子浓度和质量相关的RNA，可为水产养殖中精子储存能力和繁殖效能标记提供宝贵信息。通过在特定时间点操纵环境条件，以通过精子RNA促进跨代遗传或适应，可能为推进水产养殖实践带来令人兴奋的机会。
6. 结论
动态的精子RNA受到各种内在和外在因素影响，介导了鱼类祖先获得性状的跨代遗传。然而，许多问题仍未解决。包括：（i）父本环境刺激导致精子RNA产生或修饰的机制；（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）精子从雄性和雌性生殖道高度异质的胞外囊泡中选择性装载靶RNA的机制，是通过主动分选还是随机摄取后功能过滤；（v）精子RNA在胚胎编程中的生物学作用。理解精子中是否发生RNA的从头转录，以及这种转录的机制也同样重要。
鱼类栖息在高度多变的水生环境中，任何环境因素的变异都可能影响精子发生、精子质量和受精成功率。亲鱼的环境经历可以驱动下一代的预先适应。此外，鱼类在不同生命周期阶段对环境因素表现出不同的敏感性。这凸显了确定各物种对环境因素最脆弱生命阶段的重要性。本综述强调了开发尽可能模拟自然条件的人工环境，以减轻水产养殖中环境波动有害影响的潜力。此类环境可为优化亲鱼选择、人工繁殖和生物多样性保护策略提供宝贵数据。这将有利于水产养殖的可持续性，并从个体到养殖种群层面综合考虑生产力和健康，特别是在全球气候变暖的背景下。
