综述：解析不孕症：HDACs 对生殖功能的表观遗传学影响

《Reproductive Sciences》：Decoding Infertility: the Epigenetic Influence of HDACs on Reproductive Function

　　

： 不孕症是一种多因素疾病，影响全球约10-15%的夫妇，男性和女性因素各占一半。表观遗传调控因子，特别是组蛋白去乙酰化酶 (Histone deacetylases, HDACs)，已成为不孕症的新兴决定因素。它们通过移除组蛋白尾部的乙酰基来改变染色质结构并影响基因表达。HDACs的功能失调会改变对生殖功能至关重要的基因表达谱。HDACs根据其结构和功能分为四大类 (I-IV)。研究人员对以往利用动物模型、临床背景和实验进行的研究进行了全面分析，以探讨HDACs如何在配子发生、激素调控、胚胎发育等生殖生理学领域发挥作用。HDACs在男女两性的生育力表观遗传控制中起着关键作用。理解其亚型特异性功能可能有助于创建更聚焦的不孕症治疗方法并提高生殖成功率。本篇综述阐明了HDACs导致不孕症的作用机制，并探讨了其作为生殖医学治疗靶点的潜力。

论文主体内容总结：

引言

论文首先界定了不孕症，并指出根据世界卫生组织（WHO）2023年的数据，全球约17.5%的成年人口在其一生中会经历不孕症，表明其是一个重要的全球性健康负担。除了已确定的基因突变、生殖道解剖异常和内分泌功能失调外，表观遗传控制在生殖健康和疾病中也起着关键作用。表观遗传修饰包括DNA甲基化、组蛋白尾部修饰和非编码RNA等可遗传且可逆的变化。在表观遗传调控因子中，组蛋白去乙酰化酶 (HDACs) 是至关重要的酶，它们能去除组蛋白和非组蛋白上赖氨酸残基的乙酰基，导致染色质浓缩和转录抑制。这种调控对配子发生、卵泡发生、胚胎发育和植入等过程有显著影响。此外，HDACs也控制细胞骨架结构和参与信号传递的非组蛋白底物，从而影响细胞分化和与生育力相关的功能。

哺乳动物的HDACs根据其功能特性和序列同源性可分为四个主要类别：

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  I类HDACs (HDAC1, 2, 3, 8)：主要存在于细胞核，广泛表达，在基本细胞功能（如细胞分裂和增殖）中起关键作用，这些功能对配子产生和早期胚胎发生至关重要。
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  II类HDACs (IIa 和 IIb) (HDAC4, 5, 6, 7, 9, 10)：IIa类酶在细胞核和细胞质间穿梭，参与组织特异性调控，包括子宫内膜容受性和支持细胞（Sertoli cell）活动。IIb类成员，特别是HDAC6，参与精子活力并靶向细胞骨架蛋白。
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  III类HDACs (Sirtuins 1-7)：这些是NAD?依赖的去乙酰化酶，在代谢调控和氧化应激反应中很重要。SIRT1和SIRT6与卵母细胞质量和植入结局相关。
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  IV类HDACs (HDAC 11)：结构与I类和II类酶有相似之处，被认为与生殖道的免疫调节有关，但其生殖功能尚不完全清楚。

研究显示，在多种模型生物体中，HDAC活性的中断或失调会影响关键的生殖事件。例如，小鼠模型中卵母细胞特异性缺失HDAC1/2会导致卵泡耗竭和染色质重塑异常，而子宫特异性缺失HDAC3会因子宫无容受性和植入失败导致不孕。环境因素（如内分泌干扰物）会改变生殖器官中HDAC的表达和乙酰化模式。辅助生殖技术 (ARTs) 可能会干扰早期胚胎发生期间正常的表观遗传编程，破坏组蛋白乙酰转移酶 (HATs) 和HDACs之间的平衡，从而改变组蛋白乙酰化水平和染色质可及性。深入了解HDACs在生殖遗传学中的功能，可能有助于开发针对性的不孕症疗法，如Sirtuin激活剂和亚型选择性HDAC抑制剂。

HDAC Isoforms

Class I HDACs

I类HDACs主要在细胞核表达，广泛表达于生殖细胞和性腺体细胞。研究表明，HDAC1和HDAC2在维持减数分裂所需的染色质结构、防止卵泡过早耗竭方面发挥重要作用。在小鼠卵母细胞中特异性敲除HDAC1/2会导致严重的染色质重塑缺陷、纺锤体组装异常和转录失调，从而引起卵泡闭锁并阻滞早期胚胎发育。单独的HDAC2缺失会破坏染色体分离和胚胎活力。在子宫内膜异位症中，HDAC1水平显著升高。HDAC1和HDAC2在小鼠植入前发育过程中，通过与DNA甲基转移酶 (DNMTs) 如DNMT3A2的相互作用，对控制染色质重塑、谱系决定和全基因组DNA甲基化至关重要。这些基因的缺失会破坏表观遗传编程和胚胎细胞分化。HDAC3缺失会改变小鼠子宫基质细胞的蜕膜化和孕酮信号通路，导致植入失败。HDAC8在颗粒细胞 (GCs) 中调节类固醇生成酶（如StAR和CYP19A1）的表达以及雌二醇合成，表明其参与卵泡成熟和激素调控。在雄性生殖中，抑制HDAC8会损害精原细胞增殖和支持细胞功能。选择性I类HDAC抑制剂会影响合子基因组激活 (ZGA) 的多个方面。

Class II HDACs

IIa和IIb类HDACs在细胞核和细胞质之间穿梭，对组蛋白和非组蛋白底物进行去乙酰化。HDAC4和HDAC5与DREAM蛋白形成调控复合物。HDAC5抑制小鼠睾丸巨噬细胞的促炎性M1极化，从而保护血睾屏障 (BTB) 的完整性。HDAC6以其在细胞质中的定位而闻名，调节微管蛋白乙酰化，从而影响精子活力和卵母细胞减数分裂的纺锤体动力学。HDAC6敲除小鼠在正常条件下可育，但在应激或药物处理下表现出微管蛋白过度乙酰化和精子活力下降。药理学抑制HDAC6已被证明可以改善小鼠配子的卵母细胞成熟和精子功能。HDAC6还通过mTOR信号通路调节小鼠原始卵泡的激活。HDAC4、HDAC5、HDAC7和HDAC9在生殖领域的研究相对较少，具有未来探索的潜力。

Class III HDACs

Sirtuins (SIRT1-7) 是NAD?依赖的去乙酰化酶，调节线粒体完整性、能量代谢和氧化应激，这些对配子质量和卵泡存活是必需的。SIRT1和SIRT3是雌性生殖寿命的重要调节因子。在Sirtuin缺陷的动物模型中，敲除小鼠表现出卵泡发生受损、卵母细胞凋亡增加和生育力下降，而药理学的Sirtuin激活可恢复卵巢功能和胚胎发育潜能。白藜芦醇介导的SIRT1激活改善了肥胖和代谢应激小鼠的卵泡储备和生殖结局。SIRT1还通过SIRT1/p53调控轴保护颗粒细胞免于氧化应激诱导的凋亡。SIRT3缺失导致活性氧 (ROS) 积累、卵泡闭锁和卵母细胞能力受损。SIRT6和其他Sirtuins在小鼠植入前阶段维持端粒和基因组稳定性。SIRT7有助于维持基因组完整性，修复双链断裂。这些研究表明，III类HDACs在整个生殖寿命的生殖过程中起着关键作用，从下丘脑-垂体-性腺轴 (HPG) 的调控到直接调节配子发生、胚胎发育和卵巢衰老。

Class IV HDAC

HDAC11是唯一的IV类组蛋白去乙酰化酶，在母胎界面调节免疫耐受。它控制细胞因子和免疫调节分子的表达，特别是抑制白细胞介素-10 (IL-10) 的产生，而IL-10是增强母体对半同种异体胎儿免疫耐受所必需的抗炎细胞因子。HDAC11过表达会降低IL-10产生，导致免疫反应向促炎的Th1型偏移，这可能阻碍植入成功。临床和实验研究表明，反复妊娠丢失 (RPL) 或植入失败的女性，其子宫内膜或蜕膜组织中常表现出异常的HDAC11表达。在小鼠模型中，HDAC11表达失调会影响子宫细胞因子环境，抑制滋养层侵袭，并破坏胚胎植入所需的血管重塑。靶向抑制HDAC11可以恢复IL-10水平并提高植入率。在配子发生过程中，HDAC11通过控制AURKB、PCNA、INO80C和HMBOX1等基因和因子来调节减数分裂。

Mechanistic Insights into the Role of HDACs

Role in Spermatogenesis

精子发生是一个包括有丝分裂、减数分裂和精子形成的过程，受组蛋白乙酰化和去乙酰化的表观遗传控制。染色质相关的肿瘤抑制因子ING2对于正常的精子发生是必需的，其缺失会导致雄性不育。ING2是HDAC1正常聚集和精子细胞发育过程中正常组蛋白乙酰化所必需的。精子染色质重塑和基因转录需要特定的组蛋白乙酰化位点，如H3K9、H3K14、H4K5和H4K16。HDAC1和HDAC2调控减数分裂基因表达、染色质重塑和DNA修复；它们的缺失会导致小鼠生殖细胞减数分裂停滞和凋亡。HDAC3在小鼠精子细胞中作为转录调节因子，与SOX30协同工作，控制精子成熟所需的基因表达。ZMYND15作为I类和II类HDAC的衔接蛋白，在单倍体生殖细胞中抑制基因表达；其缺失会导致小鼠模型中数百个睾丸基因的异常激活，导致无精子症。Sirtuins (III类HDACs)，特别是SIRT1，控制睾丸细胞的代谢、应激反应和染色质压缩；其在小鼠模型中的缺失会影响下丘脑-垂体-性腺轴，导致精子发生停滞。在精子形成过程中，HDACs调节组蛋白乙酰化，这对染色质浓缩和精子DNA包装是必需的。HDACs通过移除乙酰基催化此过程，导致组蛋白置换并被过渡蛋白和鱼精蛋白取代。在隐睾症中，HDAC1、HDAC2和HDAC3水平的升高会破坏染色质结构，并与不孕症风险密切相关。药理学HDAC抑制剂，如曲古抑菌素A (TSA)，可逆地减缓小鼠睾丸组织的减数分裂，增加精母细胞死亡，并导致暂时性不育。在弱精子症（低活力）精子中，HDAC6表达和乙酰化α-微管蛋白水平降低。HDAC6特异性抑制剂tubastatin A可损害精子活力和微管稳定性。此外，HDACs调节精浆代谢，HDAC活性的变化与精子活力和能量可用性的变化有关。SIRT1和SIRT3水平与精子形态和活力异常呈负相关。染色质完整性测试，如TUNEL和精子染色质扩散 (SCD) 正被用于临床识别与异常HDAC功能相关的DNA碎片。总之，HDAC和Sirtuin表达的异常改变了精子发生的多个阶段，导致减数分裂停滞、染色质浓缩缺陷和精子活力受损。

Role in Oogenesis and Folliculogenesis

HDACs在卵母细胞发育和卵泡发生过程中强烈控制染色质动力学。研究表明，在生殖高龄和卵巢储备功能低下 (LOR) 的女性中，HDAC1和HDAC2的表达显著降低。这些较低的HDAC水平与回收的成熟 (MII) 卵母细胞数量密切相关。在机制上，HDACs通过组蛋白去乙酰化改变染色质结构来控制基因表达。在小鼠卵巢中，促黄体生成素 (LH) 激增期间，颗粒细胞中的HDAC2至关重要，其磷酸化导致组蛋白去乙酰化和转录重编程，这是排卵、卵丘扩展和排卵基因（如Ereg和Star）表达所必需的。小鼠颗粒细胞中HDAC3的过度表达会抑制正常组蛋白乙酰化的增加，从而阻碍卵母细胞成熟，这可以通过HDAC3抑制剂逆转。Sirtuins，特别是SIRT1，通过控制线粒体功能和氧化还原平衡来影响卵母细胞质量。SIRT2在卵母细胞减数分裂中起关键作用，其缺失会导致严重的纺锤体缺陷和染色体紊乱。SIRT2调节组蛋白H4K16和α-微管蛋白的乙酰化状态。SIRT2蛋白水平在老年小鼠的卵母细胞中较低，而过表达SIRT2可改善与母体年龄相关的减数分裂缺陷。SIRT5在维持线粒体稳态方面发挥双重作用，其抑制会导致显著的减数分裂缺陷。SIRT6在猪卵母细胞中驱动减数分裂成熟，其抑制会显著增加活性氧 (ROS) 信号水平，导致DNA损伤并诱导凋亡。其他HDACs，包括HDAC6和HDAC11，在卵泡生长和成熟过程中动态表达，并调节卵母细胞能力。颗粒细胞中HAT1表达的降低会扰乱老年小鼠的卵母细胞成熟。在多囊卵巢综合征 (PCOS) 和早发性卵巢功能不全 (POI) 等情况下，失调的HDAC活性会干扰这些通路，导致不孕症，同时也呈现出潜在的表观遗传治疗靶点。这些发现强调了HDAC和Sirtuin失调在卵子发生和卵泡发生中的关键作用，导致卵泡发育受损和有缺陷的卵母细胞形成。

Early Embryonic Development and Epigenetic Reprogramming

在早期发育阶段，HDACs控制染色质重塑和表观遗传重编程，这对母源-合子转换和早期细胞命运决定是必需的。HDAC活性对于防止合子基因组激活 (ZGA) 期间发育基因的过早表达至关重要。HDAC抑制会导致小鼠胚胎在2细胞期发育停滞。HDAC1和HDAC2控制全局组蛋白乙酰化水平，它们的缺失会导致小鼠胚胎中异常的ZGA、凋亡增加和囊胚形成前的发育停滞。HDAC1的快速降解会在2小时内引起组蛋白乙酰化变化，并影响小鼠胚胎干细胞中的多能性相关基因网络。HDAC1在非洲爪蟾合子基因组上逐渐结合，并通过在活性基因处保持非活性基因的组蛋白低乙酰化和参与动态的乙酰化-去乙酰化循环来维持谱系完整性。HDAC1和HDAC2对合体滋养层发育至关重要，多个核心组蛋白残基的去乙酰化与人类滋养层分化相关。HDAC抑制上调滋养层细胞中胎盘P-糖蛋白的表达。HDAC抑制，如TSA处理，可以增加组蛋白乙酰化，并可以暂时改善核重编程，如在小鼠体细胞核移植 (SCNT) 模型中所显示的，通过擦除体细胞染色质记忆和提高囊胚形成率。然而，严重或长期的HDAC抑制会损害染色质浓缩和基因沉默，导致胚胎质量差和发育转换失败。

Uterine Receptivity and Implantation

组蛋白乙酰化和HDAC活性之间的平衡对于子宫为植入做准备至关重要。在蜕膜化过程中，人子宫内膜基质细胞 (EnSCs) 中HDAC2的下调增加了胚胎成功植入所需基因的表达。子宫内膜异位症小鼠模型和人类样本中HDAC3水平降低，导致蜕膜化异常、纤维化和孕酮信号传导不良，从而引起不孕症。恢复HDAC3功能或调节相关的表观遗传变量可能为子宫内膜异位症引起的不孕症提供新的治疗方法。HDAC抑制剂 (如SAHA和TSA) 增加人子宫内膜细胞中glycodelin（一种调节胚胎-子宫内膜附着的因子）的表达。相比之下，由炎症引起的高HDAC活性，如小鼠模型中脂多糖 (LPS) 暴露，会通过染色质重塑减少卵巢雌二醇的产生，这可以被HDAC抑制逆转。HDACs可能通过损害卵泡发育、类固醇生成和激素受体信号传导，导致卵巢功能障碍，如PCOS和POI。遗传学研究，如对南印度女性HDAC1中SNP相关性的研究，突显了HDACs在实际不孕症风险中的相关性。

HDACs and Assisted Reproductive Technologies (ART)

在实验和临床前模型中，HDACs已成为ART中的重要调节因子，它们调节染色质结构、表观遗传重编程和胚胎发育。HDAC抑制剂，如TSA和Scriptaid，已被证明可提高多种哺乳动物物种在体细胞核移植 (SCNT) 和体外受精 (IVF) 模型中的组蛋白乙酰化水平，打开染色质结构并允许早期胚胎发育所需的转录激活。例如，用scriptaid处理猪SCNT胚胎显著提高了囊胚形成率，增加了组蛋白乙酰化模式与IVF胚胎的相似性，并提高了整体克隆效率。TSA在小鼠和兔子等多种物种中也观察到类似的有益效果。HDAC6调节小鼠卵母细胞玻璃化模型中的组蛋白乙酰化，并在冷冻保存过程中保持发育能力。血清和卵泡液中SIRT水平的升高与改善的生育力参数相关。HDAC6抑制剂scriptaid在IVF和人类卵胞浆内单精子注射 (ICSI) 模型中，通过修饰蛋白质乙酰化和增加酪氨酸磷酸化，提高了受精和胚胎发育率。在绵羊SCNT胚胎中，scriptaid通过增加组蛋白乙酰化和核重编程效率，显著改善了囊胚形成和发育能力。在绒山羊中，scriptaid通过上调NANOG表达增加了供体细胞的多能性。HDAC抑制恢复了人子宫内膜细胞中孕酮受体 (PR) 及其下游靶基因的表达。在PCOS小鼠模型中，HDAC5的过度表达减少了氧化应激和异常血管生成，改善了卵巢形态和功能，而小鼠颗粒细胞中HDAC1的恢复通过H19/miR-29a-3p/NLRP3轴减少细胞焦亡。将基于人工智能 (AI) 的胚胎选择与表观遗传谱分析和HDAC活性评估相结合，被推荐为个性化ART的变革性下一步。在药理学调节剂中，scriptaid、TSA、丙戊酸 (VPA)、丁酸钠和HDAC3选择性抑制剂在提高核移植效率和体外成熟结局方面显示出最一致的有益效果。然而，也有研究显示，在小鼠模型中，TSA在卵母细胞长期培养过程中会显著降低受精和囊胚形成率，表明某些ART相关操作和延长的体外培养条件可能改变组蛋白乙酰化和甲基化模式。

Environmental and Lifestyle Factors Influencing HDACs in Infertility

环境因素，如内分泌干扰物 (EDCs)、重金属和生活方式，可以影响HDAC的表达和活性，从而影响生殖结果。在小鼠模型中，双酚A (BPA) 和邻苯二甲酸盐暴露会降低睾丸和卵巢中HDAC1/2的活性，导致精子发生和卵泡发生改变，其中一些影响可持续多代。同样，与铅和镉暴露相关的组蛋白修饰改变与精子活力和数量下降有关。砷引起的雄性不育导致大鼠睾丸中I类HDACs活性增加，从而抑制精子发生所必需的基因并诱导氧化炎症损伤。乙酸盐抑制I类HDACs。压力和吸烟会改变HDAC2表达，并可能导致子宫功能受损和胚胎植入。心理应激也会激活下丘脑-垂体-肾上腺 (HPA) 轴，增加皮质醇和促肾上腺皮质激素释放激素 (CRH) 水平，从而通过下丘脑HDAC失调抑制促性腺激素的释放。EDCs如DDE、HCB和BPA与I类HDACs的上调相关，导致异常的染色质重塑和正常生殖过程所需基因表达的抑制。在啮齿动物热应激模型中，由环境或职业热应激引起的睾丸温度升高会诱导HDAC介导的生殖细胞凋亡、氧化损伤、染色体缺陷和精子发生受损。氧化应激通过激活HDAC依赖的抗氧化基因（如SOD、过氧化氢酶和GPx）表达沉默而进一步恶化不育症。相反，补充抗氧化剂可以恢复HDAC调控的抗氧化基因表达并改善生育力参数。环境化学物质如三氯生、BPA、DEHP和PFAS会破坏HDAC活性和组蛋白修饰，导致激素失衡、子宫内膜容受性降低，甚至在动物和流行病学研究中产生跨代生殖毒性。营养干预，特别是饮食限制，通过HDAC抑制和Sirtuin激活增加组蛋白乙酰化，这可以在实验模型中改善生殖能力。慢性炎症和氧化应激也会增加HDAC活性，降低促生存基因的表达并损害线粒体功能。年龄和发育阶段影响HDAC对热应激等压力的敏感性，精子发生比卵子发生更敏感。这些研究表明，心理压力、环境热、氧化失衡和化学暴露通过HDAC失调导致生育力丧失，而针对HDAC通路的饮食和抗氧化剂干预提供了实用、低成本的预防和治疗策略。

Therapeutic Potential of HDAC Modulation in Infertility

HDACs在调节生育力相关过程（如配子发生、卵母细胞成熟、子宫内膜容受性和早期胚胎发育）中起着至关重要的作用。子宫内膜异位症、PCOS和精子发生不良与异常的HDAC活性或表达有关。因此，HDACs已成为生殖医学中有前景的治疗靶点。几种最初为癌症治疗开发的HDAC抑制剂 (HDACis)，如VPA，已显示出改善生殖结局的潜力，表明表观遗传疗法可能有助于纠正代谢或年龄相关原因的不孕症。广谱HDAC抑制剂如TSA和VPA在动物模型中显示出改善卵母细胞质量、促进胚胎发育和提高植入率的潜力，而亚型特异性抑制剂，包括tubastatin A (HDAC6选择性) 和romidepsin (HDAC1/2)，提供了更具针对性、全身毒性和脱靶效应更少的策略。鉴于特定的HDAC亚型，如HDAC3和HDAC6，对精子细胞成熟和精子活力至关重要，这些化合物可能在治疗男性不育症方面具有治疗潜力。然而，由于HDACs广泛的调节作用、潜在的脱靶效应以及需要精确的、阶段特异性的干预，它们的实际应用面临挑战。基因组和非基因组分析可以根据个体HDAC表达实现个性化的HDAC抑制剂治疗，例如在具有高HDAC1/2水平的子宫内膜异位症患者中使用I类抑制剂。将HDACis与激素或辅助生殖治疗相结合也可能提高疗效，同时最大限度地减少全身效应。未来研究应侧重于设计针对生殖组织的HDAC调节剂，确保长期安全性，并标准化临床方法。在PCOS大鼠模型中，乙酸盐通过逆转颗粒细胞中HDACs（尤其是HDAC1和HDAC3）的异常过度表达来改善卵巢功能。在缺血/再灌注损伤的大鼠中，给予醋酸钠可降低I类和II类HDAC活性的增加，从而恢复正常的组蛋白乙酰化水平，保护精子质量和睾丸组织结构。此外，HDACs在避孕治疗中的作用也正在研究中。口服I类HDACi MS-275可逆地阻断小鼠的精子发生和生育力，提供了一种有前景的非激素男性避孕方法。

Limitations

尽管对HDACs在生殖生物学中作用的兴趣日益增加，但应承认几个局限性。许多现有研究依赖于实验动物模型，而非人类临床研究。例如，研究HDAC调控对卵巢功能和PCOS治疗作用的研究主要在大鼠模型中进行。同样，醋酸钠对精子发生和睾丸组织结构的保护作用是在遭受睾丸缺血-再灌注损伤的Wistar大鼠中证实的。此外，几项评估HDAC抑制剂在生殖生物学中作用的研究主要集中在短期发育结果上。例如，使用scriptaid等化合物的HDAC抑制已被报道可改善实验模型中的胚胎发育和