母体碳水化合物代谢编程通过组蛋白H3K9甲基化作用提高了斑马鱼后代的碳水化合物利用效率

《The Journal of Nutritional Biochemistry》：Maternal carbohydrate-programming enhances carbohydrate utilization in zebrafish offspring by histone H3K9 methylation

　　本研究通过高碳水饮食编程的斑马鱼母体，发现其子代在葡萄糖吸收和代谢方面显著提升，并利用RNA-seq和ATAC-seq分析揭示了H3K9me2甲基化修饰通过调控ehmt2和kdm4a基因表达影响glut2和phip基因表达，进而增强碳水利用的表观遗传机制。

　　近年来，随着高碳水化合物食品的摄入量增加，人类对碳水化合物的利用能力在代际间得到了显著提升。然而，这种提升背后的表观遗传机制尚不明确。本研究通过观察斑马鱼在高碳水化合物饮食干预后的表现，揭示了母体编程对后代碳水化合物利用能力的影响及其可能的表观遗传基础。研究发现，经过两个月高碳水化合物饮食（编程组，PG）的母体斑马鱼，其后代在首次和第二次高碳水化合物饮食挑战中表现出更佳的碳水化合物利用能力，包括对葡萄糖的摄取偏好、增强的碳水化合物吸收和代谢能力。这种能力的提升不仅体现在母体本身，还传递给了后代，表明碳水化合物利用能力的增强具有跨代遗传的潜力。

碳水化合物作为人类和动物重要的能量来源，除了提供基础营养外，还与神经递质如阿片肽和多巴胺的释放密切相关，因此在动物行为和生理反应中具有重要作用。人们对于糖的偏好导致全球范围内糖的消费量大幅上升。例如，在19世纪，美国人均年糖摄入量不足4公斤，而如今，由于精制糖在消费品中的广泛存在，这一数字已增加超过十倍。这种趋势不仅反映了人类饮食习惯的变化，也暗示了长期高碳水化合物摄入可能对代谢能力产生的深远影响。

在人类和哺乳动物中，母体的营养状况可以通过表观遗传机制影响后代的发育和代谢，这一现象被称为“编程”效应。研究表明，母体在怀孕期间的营养状况可以调节后代的基因表达，包括DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA的调控。例如，怀孕期间的蛋白质限制会改变胎儿中Igf2基因启动子区域的组蛋白修饰，并抑制该基因的转录。同样，母体摄入高脂肪饮食会引发胎儿中H3K14、H3K9和H3K18位点的超乙酰化，进而影响后代的代谢能力。此外，母体摄入高果糖饮食会通过促进miR-27a的表达和调节肾上腺5α-还原酶1启动子区域的DNA甲基化，提高后代的循环皮质醇水平，并通过增强（pro）肾素受体启动子区域的H3K4me2修饰，导致后代出现高血压。这些研究结果表明，母体营养状况对后代代谢能力的影响具有复杂性和多样性。

尽管如此，关于高碳水化合物饮食如何通过表观遗传机制影响后代碳水化合物利用能力的研究仍较为有限。斑马鱼与人类在基因组和生理结构上具有高度相似性，且斑马鱼本身对碳水化合物具有较差的耐受能力，这使其成为研究人类碳水化合物利用能力适应性和遗传性的理想模型。在本研究中，我们对母体斑马鱼进行了两个月的高碳水化合物饮食干预，随后对后代进行了表型分析和定量PCR检测，以评估其碳水化合物利用能力和摄食行为的变化。同时，我们利用RNA测序和ATAC测序技术，对编程组和正常组之间的基因表达和染色质可及性进行了比较分析。此外，我们还通过Western Blotting（WB）技术评估了母体及后代中不同组蛋白修饰类型的变化，并结合细胞实验、双荧光素酶报告系统、染色质免疫沉淀（ChIP）和siRNA等方法，进一步探讨了高碳水化合物饮食编程引起的特定组蛋白修饰及其对与碳水化合物利用相关基因表达的影响。

研究结果表明，编程组的后代不仅在碳水化合物利用能力上表现出增强，其基因表达模式也发生了显著变化。具体而言，与葡萄糖吸收相关的glut2基因和与碳水化合物代谢相关的phip基因在编程组中表现出更高的表达水平，而与H3K9me2特异性组蛋白甲基转移酶相关的ehmt2基因则表现出下调，同时去甲基酶基因kdm4a则显著上调。这种基因表达的变化进一步导致了编程组后代中H3K9me2蛋白水平的降低。这些结果表明，母体编程可能通过表观遗传机制影响后代的碳水化合物利用能力，并且这种影响具有一定的遗传性。

通过进一步的实验分析，我们还验证了H3K9me2与glut2和phip基因之间的调控关系。我们使用ehmt2抑制剂BRD4770在体外处理细胞，以及使用kdm4a抑制剂PKF-118-310在体内处理斑马鱼，结合双荧光素酶报告系统、染色质免疫沉淀和siRNA等技术，进一步确认了高碳水化合物饮食编程引起的组蛋白修饰变化对基因表达的调控作用。这些研究结果不仅有助于理解碳水化合物利用能力的适应性和遗传性，也为人类饮食营养计划和糖尿病等代谢疾病的治疗提供了新的思路。

本研究的意义在于揭示了母体营养编程对后代代谢能力的潜在影响，特别是对碳水化合物利用能力的增强作用。随着人类对高碳水化合物食品的依赖程度增加，这种影响可能在代际间累积，进而对健康产生长期影响。因此，理解这一机制对于制定科学合理的饮食营养计划和开发针对糖尿病等代谢疾病的治疗策略具有重要意义。此外，本研究还发现了phip基因作为碳水化合物利用相关的重要候选基因，这为未来的研究提供了新的方向。

在实验设计方面，我们选择了体重约为0.56 ± 0.12克、体长约为2.48 ± 0.15厘米的斑马鱼，这些斑马鱼来自中国科学院水生生物研究所（武汉，中国）。实验环境为36 * 4.5升的循环水养殖系统，水温维持在27 ± 1摄氏度，光照周期为12小时。母体斑马鱼被随机分为两组，分别喂养高碳水化合物饮食（编程组，PG）和正常碳水化合物饮食（正常组，NG）。在完成两个月的饮食干预后，我们对部分斑马鱼进行了首次高碳水化合物饮食挑战，并在挑战后的15小时内观察到编程组斑马鱼的肠道更薄，同时表现出更高效的碳水化合物吸收能力。这些结果进一步支持了母体编程对后代碳水化合物利用能力的正向影响。

此外，我们还发现编程组斑马鱼的后代在第二次高碳水化合物饮食挑战中表现出更佳的碳水化合物利用能力，包括更高的葡萄糖摄取偏好和更高效的碳水化合物代谢。这表明，母体编程不仅在短期内影响后代的代谢能力，还可能在长期中产生遗传效应。这种遗传效应可能通过表观遗传机制实现，如DNA甲基化、组蛋白修饰等，这些机制能够稳定地传递基因表达模式，并使后代在面对相似环境时保持相应的适应能力。

在实验方法上，我们采用了多种先进的技术手段，以确保研究结果的准确性和可靠性。除了传统的表型分析和定量PCR检测外，我们还利用RNA测序和ATAC测序技术，对编程组和正常组之间的基因表达和染色质可及性进行了全面比较。同时，我们通过Western Blotting技术评估了母体及后代中不同组蛋白修饰类型的变化。此外，我们还进行了细胞实验，利用ehmt2和kdm4a的抑制剂，结合双荧光素酶报告系统、染色质免疫沉淀和siRNA等方法，进一步验证了组蛋白修饰变化对基因表达的调控作用。

本研究的结果表明，母体编程可能通过表观遗传机制影响后代的碳水化合物利用能力，并且这种影响具有一定的遗传性。这一发现为人类饮食营养计划和糖尿病等代谢疾病的治疗提供了新的视角。同时，研究还揭示了glut2和phip基因在碳水化合物利用能力适应性和遗传性中的重要作用，这为未来的研究提供了重要的基因靶点。此外，我们还发现了phip基因作为碳水化合物利用相关的重要候选基因，这可能为开发新的治疗策略提供理论依据。

综上所述，本研究通过斑马鱼模型，揭示了母体高碳水化合物饮食对后代碳水化合物利用能力的影响及其可能的表观遗传机制。研究发现，编程组的后代不仅在短期的高碳水化合物饮食挑战中表现出更佳的代谢能力，还在长期中保持了这种能力的增强。这表明，母体编程可能通过表观遗传机制影响后代的代谢能力，并且这种影响具有一定的遗传性。这些结果不仅有助于理解碳水化合物利用能力的适应性和遗传性，也为人类饮食营养计划和糖尿病等代谢疾病的治疗提供了新的思路。同时，研究还发现了glut2和phip基因在碳水化合物利用能力适应性和遗传性中的重要作用，这为未来的研究提供了重要的基因靶点。此外，我们还发现了phip基因作为碳水化合物利用相关的重要候选基因，这可能为开发新的治疗策略提供理论依据。

本研究的发现具有重要的实际意义。随着全球范围内高碳水化合物食品的摄入量增加，人类的代谢能力可能在代际间发生适应性变化。这种变化不仅影响个体的健康状况，还可能对整个社会的健康产生深远影响。因此，理解母体编程对后代代谢能力的影响机制，对于制定科学合理的饮食营养计划和开发针对代谢疾病的治疗策略具有重要意义。此外，研究还揭示了表观遗传机制在代谢能力适应性变化中的关键作用，这为未来的研究提供了新的方向。

在未来的实验研究中，我们可以进一步探讨不同营养干预对后代代谢能力的影响，特别是对不同基因表达模式的影响。此外，还可以结合更多的实验方法，如代谢组学、蛋白质组学等，以全面理解母体编程对后代代谢能力的影响机制。同时，还可以通过长期跟踪实验，评估这种影响是否具有持续性和可遗传性。这些研究将有助于进一步揭示碳水化合物利用能力的适应性和遗传性，并为人类健康和疾病预防提供更深入的科学依据。

此外，本研究还发现，母体编程可能通过影响特定的组蛋白修饰，如H3K9me2，来调节后代的基因表达。这种组蛋白修饰的变化可能与碳水化合物利用能力的增强密切相关，表明表观遗传机制在代谢能力适应性变化中扮演着重要角色。因此，未来的研究可以进一步探讨不同组蛋白修饰对基因表达的影响，以及这些修饰如何在代际间传递。这些研究将有助于更全面地理解母体编程对后代代谢能力的影响机制，并为开发针对代谢疾病的治疗策略提供新的思路。

总的来说，本研究通过斑马鱼模型，揭示了母体高碳水化合物饮食对后代碳水化合物利用能力的影响及其可能的表观遗传机制。研究结果不仅表明这种影响具有跨代遗传的潜力，还揭示了特定基因在这一过程中的重要作用。这些发现为人类饮食营养计划和糖尿病等代谢疾病的治疗提供了新的视角，也为未来的研究提供了重要的理论依据。通过进一步的研究，我们有望更深入地理解碳水化合物利用能力的适应性和遗传性，并为改善人类健康和疾病预防提供科学支持。