石海旺，段 銳

有性生殖的特征之一是基因信息通過父母雙方傳遞給后代，由于DNA復制過程高度準確，保證了代際間遺傳的穩(wěn)定性[1]。然而，越來越多的研究表明，遺傳性狀并非完全由基因組序列決定，遺傳信息傳遞的調(diào)控機制同樣扮演了重要角色[2]。表觀遺傳調(diào)控是影響遺傳信息傳遞主要形式，其通過DNA甲基化、組蛋白修飾以及蛋白間相互作用等影響基因表達，且生理和環(huán)境條件的改變可能會通過表觀遺傳調(diào)控影響后代的生長發(fā)育[3-4]。如處于1944-1945年荷蘭饑荒和1959-1961年我國饑荒時期的妊娠期女性，由于生活環(huán)境改變和長期營養(yǎng)不良，導致其后代胰島素生長因子2的甲基化水平改變，與未經(jīng)歷過饑荒的妊娠期婦女的后代相比，其罹患超重、2型糖尿病等代謝綜合征的風險均增加[5-6]。運動作為健康促進的一種形式，母代運動可以改善不良母體環(huán)境對胎兒發(fā)育的影響，促進子代健康。這是否由于母代運動影響了遺傳信息傳遞的調(diào)控呢？本文將從表觀遺傳學的角度探討母代運動通過調(diào)控妊娠期母親的代謝健康及宮內(nèi)環(huán)境“重編程”胎兒的生長發(fā)育，為母代運動的健康效應和代際遺傳提供新的研究思路。

1 表觀遺傳學簡介

DNA是人類和幾乎所有生物體的遺傳物質(zhì)，是生物體發(fā)育和正常運作必不可少的生物分子。同時，遺傳信息通過DNA傳遞給子代的過程也非常穩(wěn)定，父母生理環(huán)境的改變會引發(fā)遺傳序列的改變，進而誘導表型產(chǎn)生適應性變化，影響子代的生長發(fā)育，其中不當?shù)幕蛲蛔儠е逻z傳疾病的發(fā)生。但是，已有研究報道部分后代即使存在可以導致遺傳疾病的基因突變，卻沒有表現(xiàn)出該遺傳疾病預期的全部癥狀[7]，表明胎兒的生長發(fā)育過程并非完全由DNA序列調(diào)控，基于非DNA序列的遺傳效應也扮演了重要的角色。Conrad H.Waddington首先提出“表觀遺傳學”一詞來描述生物體與環(huán)境間相互作用產(chǎn)生可觀察表型特征的過程[8]。隨著20世紀80年代后期基因組印跡的發(fā)現(xiàn)以及DNA甲基化在哺乳動物發(fā)育過程中所起重要作用的闡明，表觀遺傳修飾的分子過程才逐漸被確定[9]。

2 表觀遺傳調(diào)控的主要分子機制

2.1 DNA甲基化

DNA甲基化的主要生物學后果是基因沉默，主要發(fā)生在基因組胞嘧啶-磷酸-鳥嘌呤(CpG)二核苷酸序列中，通過阻止基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄機制或需要與胞嘧啶相互作用的轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合，影響核小體的穩(wěn)定性以及核心組蛋白的訪問，從而改變轉(zhuǎn)錄因子對啟動子區(qū)域的激活[10]。甲基轉(zhuǎn)移酶在 DNA 合成過程中復制模板鏈中存在的甲基化標記，從而確保在細胞分裂周期中遺傳特定的表觀遺傳模式，發(fā)揮生物功能[11]。

2.2 組蛋白修飾

組蛋白是賦予染色質(zhì)結(jié)構(gòu)活力和流動性的主要蛋白質(zhì)成分，通過包裝用于細胞基因調(diào)控的DNA區(qū)域和影響轉(zhuǎn)錄機制，在基因組修飾過程中發(fā)揮了重要作用[12]。同時，組蛋白通過其末端尾部的翻譯后修飾影響蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性，多個組蛋白修飾后的累積效應最終決定了基因的轉(zhuǎn)錄活性[13]。組蛋白甲基化和乙?；瞧渲饕男揎椥问?。其中，甲基轉(zhuǎn)移酶(HMT)通過催化S-腺苷甲硫氨酸(SAM)，將SAM中的甲基添加到組蛋白的賴氨酸和精氨酸殘基上，阻止基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄機制或與胞嘧啶相互作用的轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合，抑制靶基因的生物功能。去甲基化轉(zhuǎn)移酶(HDMT)可以促進組蛋白中甲基的消除，提高靶基因的表達水平[10]。另外，組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶(HATs)活性和去乙?；?HDACs)活性的動態(tài)平衡是組蛋白乙酰化的調(diào)節(jié)劑，HAT催化乙酰輔酶A中的乙?；D(zhuǎn)移到組蛋白賴氨酸殘基上，中和組蛋白的正電荷并減少組蛋白和DNA之間的靜電相互作用，將染色質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)錄活躍狀態(tài)。相反，組蛋白去乙?；峭ㄟ^HDAC將賴氨酸殘基上的乙?；?，導致異染色質(zhì)的形成，并降低DNA的轉(zhuǎn)錄活性[14]。

3 妊娠期表觀遺傳的調(diào)控因素

在哺乳動物生命周期內(nèi)，細胞會經(jīng)歷兩個主要的全基因組表觀遺傳重編程事件：配子重編程事件和胚胎重編程事件。其中，配子重編程事件發(fā)生在生殖細胞發(fā)育過程中的胚胎原始生殖細胞(Primordial germ cell,PGC)時期，當PGC 遷移到生殖嵴后會經(jīng)歷基因組DNA去甲基化、組蛋白修飾和失活X染色體重新激活。而胚胎重編程事件在受精后立即開始，持續(xù)到胚胎發(fā)育的囊胚階段[15]。目前已有大量研究發(fā)現(xiàn)表觀遺傳可以調(diào)控后代的生長發(fā)育，而環(huán)境因素會影響體細胞和生殖細胞中特定表觀遺傳模式的形成和維持，并在配子產(chǎn)生和胚胎發(fā)育過程中調(diào)控組蛋白修飾[16]，改變后代的DNA甲基化水平和后代發(fā)育進程[17]。妊娠期是胎兒發(fā)育的關(guān)鍵可塑性階段，在此過程中胎盤是將發(fā)育中的胎兒連接到母體環(huán)境的中央器官，妊娠環(huán)境改變會導致胎盤和宮內(nèi)胎兒發(fā)育產(chǎn)生適應性變化，通過表觀遺傳調(diào)控“重編程”效應影響胎兒的生長。

3.1 孕期母代的代謝健康

長期營養(yǎng)攝入失衡引起的食物能量轉(zhuǎn)化異常是導致代謝綜合征的主要原因。在過去幾十年，全球肥胖流行導致代謝性疾病患病率急劇增加，表明非遺傳環(huán)境因素是導致疾病風險的主要原因之一[18]。流行病學數(shù)據(jù)和動物實驗模型證明生命早期是發(fā)育可塑性的關(guān)鍵階段，對成年后的代謝健康至關(guān)重要。研究發(fā)現(xiàn)我國部分省市妊娠期及備孕婦女超重、肥胖或高血糖發(fā)生率接近25%[19]，西方國家孕婦肥胖的患病率徘徊在30%左右，其中約40%的婦女在懷孕期間體重增加過多[20]。伴隨著育齡期女性超重和肥胖人口數(shù)量迅速增加，妊娠期代謝性疾病的發(fā)生率顯著提高，而妊娠期代謝性疾病是導致后代肥胖和2型糖尿病發(fā)生發(fā)展的重要因素之一[6, 21]。極端的孕期體重會給母親帶來健康風險，并通過改變相關(guān)酶活性或表觀遺傳底物的可用性影響表觀遺傳模式，導致后代代謝性疾病的發(fā)病率升高。通常妊娠期糖尿病會增加葡萄糖代謝相關(guān)基因啟動子的DNA甲基化水平，導致子代組織中靶基因的表達降低，影響后代的葡萄糖耐受水平與胰島素分泌[22]。因此，表觀遺傳修飾可能是環(huán)境誘導的代謝性疾病遺傳的潛在分子機制，在后代代謝功能發(fā)育過程中起到重要的編程作用。

3.2 妊娠期宮內(nèi)環(huán)境

宮內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)是胎兒發(fā)育階段的重要影響因素。在此過程中，胎盤向胎兒輸送營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣，同時將外源性環(huán)境信號傳遞給胎兒，影響其在宮內(nèi)的生長發(fā)育過程，保持代際之間的“通訊”，這是胎兒重編程效應的關(guān)鍵步驟(圖1)。研究表明，胎盤可以在形態(tài)和功能上適應以優(yōu)化底物供應，在不同發(fā)育階段給胎兒提供特定的代謝底物與相對比例，從而在不利的宮內(nèi)環(huán)境中優(yōu)化胎兒的生長[23]。

圖1 母代通過胎盤與子代保持代際“通訊”效應

胎盤在妊娠期間暴露于各種環(huán)境信號中，導致胎盤的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生適應性變化。當胎盤-胎兒生長受限時，胎兒基因組將通過胎盤對母體營養(yǎng)物質(zhì)施加顯著的獲取驅(qū)動力，以維持自身的生長發(fā)育[24]。研究表明，在嚙齒類動物懷孕前或懷孕期間食物攝入量將減少15%～50%，會導致胎兒和胎盤的平均重量與自由飲食組相比降低22%～26%[25]，表明妊娠期間的母代能量攝入對胎盤發(fā)育和胎兒生長具有嚴格的穩(wěn)態(tài)控制。胎兒宮內(nèi)的生長發(fā)育不僅受到母體能量攝入的影響，子宮血流量以及氧氣供應同樣具有重要作用。研究表明，將動物放置在氧氣含量較低的室內(nèi)會抑制孕期母體胎盤和胎兒的發(fā)育[26]，其原因可能是由于缺氧使血液過多流向胎盤，導致母體蛻膜滋養(yǎng)細胞侵襲增加，抑制母親和胎兒之間的氣體和營養(yǎng)交換。同時，胎盤除了維持胎兒與母體之間氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)的交換外，還通過產(chǎn)生各種脂質(zhì)激素和細胞因子影響胎兒生長發(fā)育過程中的表觀遺傳調(diào)控[27]。因此，宮內(nèi)胎兒的生長發(fā)育對營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣含量的變化具有高度敏感性和依賴性，妊娠期間的能量攝入以及血氧豐度可以通過改變宮內(nèi)環(huán)境和胎盤的功能，直接影響胎兒的生長發(fā)育進程。

4 母代運動對子代的健康效應

父母的遺傳因素、宮內(nèi)及出生后環(huán)境對后代的生長發(fā)育具有深遠的影響[28]。運動是一種健康且強有力的干預形式，不同時期的母代運動通過調(diào)控表觀遺傳修飾影響子代的生長發(fā)育及健康水平，并防止妊娠期并發(fā)癥對后代健康造成的不利影響[29-30]。近年來，母代運動對子代的健康效應及其遺傳學基礎(chǔ)逐漸受到研究者的關(guān)注，本文通過總結(jié)母代運動對子代健康效應的相關(guān)研究，系統(tǒng)闡述母代運動通過表觀遺傳調(diào)控對子代的代謝水平、認知功能和運動傾向的影響，為深入研究母代運動對子代的健康效應以及代際間遺傳提供一定的理論基礎(chǔ)。

4.1 母代運動調(diào)控代謝相關(guān)基因甲基化水平改善子代代謝系統(tǒng)功能

母親肥胖或代謝紊亂會通過影響相關(guān)酶活性調(diào)節(jié)卵母細胞的發(fā)育，改變表觀遺傳底物可用性，影響表觀遺傳模式。運動被認為是治療肥胖和糖尿病健康有效的干預措施之一。臨床研究表明有氧運動可以降低孕婦體重過度增加、妊娠期糖尿病和高血壓發(fā)生的風險[31]。同時，妊娠期肥胖女性進行中等強度運動可以顯著降低新生兒早期肥胖的發(fā)生率[32]。胎盤是連接發(fā)育中胎兒與母體環(huán)境的中央“紐帶”，在清除胎兒代謝產(chǎn)物和母胎營養(yǎng)物質(zhì)傳輸?shù)倪^程中發(fā)揮了重要作用[26]。研究發(fā)現(xiàn)，母代運動會激活胎盤中調(diào)節(jié)子代生長和代謝系統(tǒng)發(fā)育的信號通路，逆轉(zhuǎn)高脂飲食誘導的 5' 腺苷酸活化蛋白酶(Amp-activated protein kinase,AMPK)、蛋白激酶B(Protein kinase B,PKB)、細胞外信號調(diào)節(jié)激酶(Extracellular signal regulated kinase,ERK)和胰島素受體底物1(Insulin receptor substrate 1,IRS1)的下調(diào)[33]，改善孕婦高脂飲食引起的胎盤功能障礙和胎兒的生長發(fā)育。

肝臟是全身葡萄糖穩(wěn)態(tài)的主要調(diào)節(jié)器官，母代運動可改善高脂飲食對肝臟功能的不利影響，減少后代肝細胞中葡萄糖的產(chǎn)生，并上調(diào)參與線粒體生物發(fā)生和后代肝臟中脂肪酸代謝相關(guān)基因的表達，保護后代免受肝臟脂肪變性的影響[28]。最新的研究發(fā)現(xiàn)，母代運動通過促進胎盤維生素D受體介導的超氧化物歧化酶3(Superoxide dismutase 3,SOD3)的表達和分泌，激活胎兒肝臟中的AMPK-IDH-αKG-TET信號軸，提高后代葡萄糖代謝相關(guān)基因的表達，并改善肝臟功能和葡萄糖耐受水平[30]。此外，棕色脂肪組織是消耗能量和葡萄糖的重要器官之一，提高棕色脂肪水平有望成為肥胖和相關(guān)代謝疾病的有效預防手段[34]。研究發(fā)現(xiàn)，Prdm16基因啟動子DNA去甲基化水平的升高在增強棕色脂肪生成和白色脂肪細胞向棕(米)色脂肪細胞轉(zhuǎn)化的過程中發(fā)揮了重要作用，母代運動誘導胎盤Apelin合成和分泌增加，促進Prdm16基因啟動子的DNA 去甲基化和胎兒棕色脂肪發(fā)育，并抑制高脂飲食誘導的后代肥胖，提高了后代小鼠的產(chǎn)熱功能和代謝健康[35]。

綜上所述，妊娠期母親對環(huán)境變化的適應與胎兒代謝系統(tǒng)的正常發(fā)育息息相關(guān)。胎盤是一種運動敏感器官，會隨著宮內(nèi)環(huán)境的改變產(chǎn)生適應性變化。運動通過改善胎盤功能，促進胎盤因子的分泌影響表觀遺傳水平，調(diào)控葡萄糖代謝相關(guān)基因的表達和棕色脂肪組織的生成，在后代代謝系統(tǒng)的發(fā)育過程中起到了重要作用。

4.2 母代運動促進子代神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育提高其認知記憶水平

已有研究報道腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(Brain derived neurotrophic factor,BDNF)是大腦可塑性的主要調(diào)節(jié)劑，除了對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的作用外，還通過減少食物攝入，增加胰島素作用于機體外周系統(tǒng)的敏感性，將代謝調(diào)節(jié)相關(guān)的中樞與外周循環(huán)相互關(guān)聯(lián)[36]。研究表明，短期運動可以增強嚙齒類動物海馬和皮質(zhì)尾部區(qū)域的BDNF基因表達，同時影響神經(jīng)生長因子(Nerve growth factor,NGF)、血管內(nèi)皮生長因子(Vascular endothelial growth factor,VEGF)和成纖維細胞生長因子2(Fibroblast growth factor 2,FGF-2)的水平[37]。此外，運動會提高血液中胰島素樣生長因子(Insulin like growth factor,IGF)透過血腦屏障與IGF-1受體結(jié)合并激活相關(guān)信號級聯(lián)反應，抑制神經(jīng)元和成纖維細胞凋亡[38]。

“胎兒期”是大腦發(fā)育的關(guān)鍵階段，母代運動可以對后代大腦發(fā)育產(chǎn)生持久且積極的影響。妊娠期母體營養(yǎng)不良會損害胎兒大腦結(jié)構(gòu)和功能的發(fā)育，表現(xiàn)為腦血管化和樹突數(shù)量減少，引起局部缺氧和炎癥損傷，導致后代記憶障礙和認知能力下降[39]。研究發(fā)現(xiàn)，妊娠期有氧運動通過提高BDNF水平和海馬神經(jīng)發(fā)生，改善后代學習和記憶能力，防止新生兒由于缺血缺氧引起的海馬神經(jīng)元丟失，改善營養(yǎng)不良后代的神經(jīng)發(fā)育延遲，延緩晚年認知功能的下降[40]。同時，妊娠期規(guī)律的體育運動與合理的膳食搭配可以調(diào)節(jié)腦內(nèi)抗氧化劑的活性，提高線粒體質(zhì)量和生物發(fā)生，調(diào)節(jié)子代的突觸可塑性與學習記憶能力[41]。孕期鍛煉引起胎兒海馬細胞增殖水平上升，所以后代在成年期表現(xiàn)出整體海馬DNA甲基化水平的降低[40]，表明母親規(guī)律的身體活動會影響新生兒的海馬發(fā)育，上調(diào)可塑性基因的表達并增強記憶能力。

雖然已有大量的研究表明母代運動可以改善子代的突觸可塑性和學習記憶水平，但嚙齒類動物實驗表明強迫運動(例如跑步機訓練、強迫游泳)是一種“強烈的壓力源”，可以激活下丘腦-垂體-腎上腺(HPA)軸，引起腎上腺類固醇的釋放[42]，導致母代運動的積極影響被壓力效應降低或抑制。所以，母代運動雖然對后代大腦發(fā)育和認知水平具有積極效應，但是要注意運動期間的強度控制，避免由于超量負荷導致的應激反應對胎兒發(fā)育產(chǎn)生負面影響，同時結(jié)合合理的產(chǎn)后膳食搭配及健康的子代生長環(huán)境以促進后代認知學習能力的提高。

4.3 母代運動通過影響子代骨骼肌發(fā)育提高其運動能力

規(guī)律的運動通過增加線粒體的生物活性、骨骼肌毛細血管密度，提高骨骼肌質(zhì)量，改善骨骼肌的工作能力[43]，表明機體會通過改變能量儲備、代謝酶的種類和數(shù)量等影響骨骼肌對體力活動的適應。同時，長時間耐力訓練后引起的基因表達變化幅度逐漸下降，而差異去甲基化區(qū)域數(shù)量和參與表觀遺傳調(diào)控的相關(guān)蛋白酶的多態(tài)性顯著增加，以保持相對較低的DNA甲基化水平[44]，增強骨骼肌對運動的早期適應。

胎兒時期骨骼肌的生長發(fā)育對成年階段的活動水平與骨骼肌功能具有重要作用。已有研究表明，母親肥胖或營養(yǎng)不良使宮內(nèi)胎兒骨骼肌發(fā)育受損，線粒體含量和氧化酶活性下降，導致出生后胎兒骨骼肌代謝功能障礙，增加了后代罹患代謝性疾病的風險[45]。AMPK是機體能量代謝的主要調(diào)節(jié)因子，也是表觀遺傳修飾的重要介質(zhì)，其通過上調(diào)DNA去甲基化所需的限速輔助因子α-酮戊二酸(α-KG)濃度提高DNA去甲基化水平[46]。研究發(fā)現(xiàn)，母代運動可以改善妊娠期母親肥胖引起的AMPK和α-KG活性下降，促進胎兒肌肉發(fā)育過程中的肌源性分化，保護后代免受母親肥胖導致的骨骼肌功能障礙[29]。

懷孕期間母親進行日常鍛煉可以通過促進胎盤因子的分泌(圖2)，誘導子代骨骼肌中血管含量和氧化型肌纖維比例增加，有效地提高了子代骨骼肌的疲勞閾值。妊娠期母代運動導致胎盤缺氧，刺激血管內(nèi)皮細胞增殖分化，提高胎盤迷路區(qū)和循環(huán)Apelin水平，誘導PGC-1α基因去甲基化水平升高，上調(diào)其在胎兒骨骼肌中的表達并促進線粒體生物發(fā)生，抑制骨骼肌特異性泛素蛋白酶及肌抑素的表達[29, 47]，調(diào)節(jié)宮內(nèi)胎兒骨骼肌的生長發(fā)育。脂聯(lián)素(Adiponectin)是一種脂肪細胞來源的激素，其通過促進脂肪酸氧化和胰島素敏感性，抑制肝臟糖異生，在調(diào)節(jié)脂質(zhì)和葡萄糖代謝中發(fā)揮了重要作用[48]。母代運動可以促進脂聯(lián)素分泌和胎盤營養(yǎng)轉(zhuǎn)運正?；纳朴捎谀复逝忠鸬奶ケP胰島素和mTORC1信號傳導抑制引起的胎兒過度生長及出生后的脂肪積累[49]，并提高循環(huán)Irisin濃度，激活基于絨毛和絨毛外滋養(yǎng)細胞的分化，為胎兒骨骼肌發(fā)育提供豐富的營養(yǎng)物質(zhì)[50]，改善后代成年期的骨骼肌健康水平和工作能力。

圖2 母代運動促進胎盤因子的分泌增加

母親肥胖或營養(yǎng)不良會增加胎兒出生后骨骼肌代謝功能障礙的風險，影響胎兒骨骼肌的生長發(fā)育。母代運動可以通過改善骨骼肌線粒體生物活性和代謝穩(wěn)態(tài)，對其終生身體活動傾向產(chǎn)生積極效應，并且可能對改善由于缺乏身體活動或超重肥胖導致全球范圍內(nèi)的流行病具有重要意義。

5 母代運動對子代健康效應研究的難點及思考

不良的母體環(huán)境會直接影響胎兒宮內(nèi)發(fā)育及出生后的身體健康，并作用于后代的整個生命周期。規(guī)律的運動對孕產(chǎn)婦和胎兒的積極效應已經(jīng)得到了廣泛的研究，且主要集中于母代運動可以有效的減少孕期孕婦體重增加及妊娠期代謝性疾病的發(fā)生，并提高新生兒代謝系統(tǒng)的功能和神經(jīng)認知水平，降低了先天性疾病風險和青年時期肥胖的發(fā)生。但是，由于代際間環(huán)境的改變和社會學因素的影響，導致母代運動對子代健康效應可否跨代遺傳的相關(guān)研究難以開展，且臨床試驗和長期流行病學調(diào)查相對匱乏，使我們對母代運動健康效應的時限性和穩(wěn)定性知之甚少。此外，不同運動形式、運動強度對表觀遺傳調(diào)控位點的影響是否存在差異也有待進一步探索。因此，我們需要繼續(xù)研究表觀遺傳在母代運動對子代健康效應的調(diào)控機制，明確表觀遺傳的調(diào)控位點和影響因素，為母代運動改善子代生長發(fā)育的相關(guān)研究提供更詳盡的理論基礎(chǔ)，以期為母代運動提供更客觀的指導。

6 總結(jié)

胎兒的生長發(fā)育受遺傳調(diào)控以及外源性環(huán)境的影響。妊娠期是胎兒發(fā)育的關(guān)鍵可塑期，胎盤是連接母代健康狀況與子代生長發(fā)育的關(guān)鍵“紐帶”，妊娠期母親的生活方式以及身體的健康狀態(tài)都會通過影響胎盤功能以及胎盤因子的分泌，作用于胎兒并產(chǎn)生長期影響。同時，母代運動通過調(diào)控表觀遺傳學變化，增加葡萄糖代謝相關(guān)基因以及BDNF啟動子區(qū)域的去甲基化水平，促進棕色脂肪生成和產(chǎn)熱增加，降低后代罹患代謝性疾病的風險并改善后代的神經(jīng)認知功能。綜上所述，母代運動對子代健康的效應是全面且復雜的，我們應該充分把握妊娠階段這一獨特的“窗口期”，開展積極的健康行為，確保孕產(chǎn)婦及后代擁有更健康的生命周期。