應(yīng)《科學(xué)》雜志社的約請(qǐng)，我和我的博士研究生張東一起寫了下面這篇綜述。主要介紹了吸煙對(duì)男性生殖和后代的影響。在文章中，特別將我們實(shí)驗(yàn)室近年來(lái)的工作做了一個(gè)總結(jié)。
這篇文章已經(jīng)發(fā)表在2018年第五期的《科學(xué)》雜志上了。
吸煙對(duì)男性生殖和后代的影響
張東，喬中東
摘要：吸煙是目前世界上最大的公共問(wèn)題之一。現(xiàn)有的研究已經(jīng)顯示，吸煙可以對(duì)男性的生殖能力產(chǎn)生不良的影響。同時(shí)，吸煙還可以通過(guò)損傷精子和改變精子中的表觀遺傳學(xué)修飾，對(duì)后代產(chǎn)生不利的影響。
關(guān)鍵詞：吸煙、男性生殖、精子、后代、跨世代遺傳
吸煙是世界上最大的公共衛(wèi)生問(wèn)題之一。世界衛(wèi)生組織（World health organization，WHO）在2017年公布的數(shù)據(jù)顯示，截至2016年，全球的煙草使用者高達(dá)13億，全球每年有600萬(wàn)人以上因直接或間接吸煙而死亡。我國(guó)作為一個(gè)煙草大國(guó)，吸煙者超過(guò)3.2億，另有約7.4億人被動(dòng)吸煙，其中包括1.8億兒童。
香煙煙霧中含有的各類化學(xué)物質(zhì)共計(jì)4 000余種，包括焦油、一氧化碳、各種致癌物質(zhì)、尼古丁等。大量流行病學(xué)調(diào)查顯示，吸煙與腫瘤、呼吸系統(tǒng)和心腦血管方面的疾病的發(fā)生密切相關(guān)。此外，吸煙還會(huì)對(duì)精神疾病產(chǎn)生影響。由于尼古丁的作用，偶然吸煙會(huì)使人產(chǎn)生快感。精神抑郁的人開始吸煙時(shí)，抑郁的癥狀會(huì)有所緩解。但是隨著時(shí)間的推移，抑郁患者大腦中的尼古丁受體全部結(jié)合了尼古丁后，緩解抑郁的作用就會(huì)減弱。為了不產(chǎn)生抑郁，患者就會(huì)加大吸煙的量，從而進(jìn)入一個(gè)“越吸煙越抑郁”的狀態(tài)。
筆者研究發(fā)現(xiàn)，吸煙對(duì)男性生殖系統(tǒng)也存在著一定的危害，并且還會(huì)通過(guò)損傷精子，對(duì)后代產(chǎn)生不利的影響。
吸煙對(duì)男性生育能力的影響
流行病學(xué)調(diào)查顯示，吸煙行為與男性的生育能力之間具有較高的相關(guān)性，其主要表現(xiàn)為精液中精子密度降低、精子運(yùn)動(dòng)能力減弱、精子形態(tài)異常，以及體外受精受孕率降低。這一現(xiàn)象直接導(dǎo)致了吸煙男性生育能力的降低，甚至因而影響到后代的健康。
筆者研究發(fā)現(xiàn)，雄性小鼠每天吸2支煙（相當(dāng)于1個(gè)成年人每天吸20支煙的水平），連續(xù)吸煙5周以后，其精子的活動(dòng)能力和運(yùn)動(dòng)性均會(huì)降低，且小鼠的出生率降低，出生后小鼠的死亡率也會(huì)增加。
錢英超等采用精子圖像分析系統(tǒng)檢測(cè)368位男性精子的成活率，并對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，結(jié)果顯示：吸煙組男性的精子成活率低于非吸煙組，其中煙齡10年以上組男性的a級(jí)精子成活率同煙齡10年以下組的差別不大，但其ｂ級(jí)精子成活率則低于煙齡10年以下組；每日吸煙量多于20支組的男性，其ａ級(jí)和ｂ級(jí)精子成活率均低于每日吸煙量少于20支組的。這表明吸煙是導(dǎo)致男性精子成活率下降的重要因素，長(zhǎng)期或大量吸煙會(huì)降低精子質(zhì)量。
曾有研究者通過(guò)對(duì)207例男性精子DNA碎片化指數(shù)（Sperm DNA Fragmentation, SDF）的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期大量吸煙可導(dǎo)致男性精液質(zhì)量下降和精子DNA的損傷，從而影響男性生育。正確的魚精蛋白與組蛋白比例對(duì)于精子產(chǎn)生是必不可少的，而有研究者發(fā)現(xiàn)吸煙可以通過(guò)造成組蛋白-魚精蛋白轉(zhuǎn)換異常，導(dǎo)致精子暴露于過(guò)量的氧自由基環(huán)境，造成其DNA損傷，最終降低了精子的活力。
也有研究者發(fā)現(xiàn)香煙煙霧處理能夠改變附睪氧化應(yīng)激狀態(tài)，從而影響精子的獲能，妨害精子的形成與成熟，造成畸形精子癥、弱精癥甚至無(wú)精癥，最終造成精液質(zhì)量的下降。同時(shí)，吸煙可能會(huì)增高男性體內(nèi)抗精子抗體的陽(yáng)性檢出率，對(duì)精子形態(tài)造成不利影響，造成精子畸形，從而可能影響男性的生殖能力。這些研究均表明，吸煙可致精子活力降低，畸形率增加，是男性不育發(fā)生的一個(gè)重要影響因素。
吸煙對(duì)精子的影響
筆者研究表明，尼古丁處理還可以使小鼠生精細(xì)胞中Trim27基因的啟動(dòng)子區(qū)域發(fā)生低甲基化修飾，從而誘導(dǎo)腫瘤壞死因子（Tumor Necrosis Factor，TNF）介導(dǎo)的凋亡通路中的關(guān)鍵蛋白RIP1發(fā)生去泛素化修飾，導(dǎo)致小鼠精子在長(zhǎng)形精子階段發(fā)生細(xì)胞凋亡。
乳酸脫氫酶C (Lactate Dehydrogenase C, LDHC)是睪丸和精子中最豐富的乳酸脫氫酶異構(gòu)體，在生殖細(xì)胞的能量代謝中具有關(guān)鍵作用。微摩爾級(jí)的尼古丁或可替寧(尼古丁的代謝產(chǎn)物)均可通過(guò)疏水作用力和氫鍵以競(jìng)爭(zhēng)性方式抑制LDHC活性，導(dǎo)致LDHC含量降低，最終可導(dǎo)致不孕。
離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)在精子的生理活動(dòng)中也發(fā)揮重要作用。在影響精子生理活動(dòng)的眾多離子中，精子內(nèi)游離的Ca2+是調(diào)控精子活動(dòng)等生理功能的關(guān)鍵因素，依靠精子鞭毛的主段和中段內(nèi)Ca2+濃度的改變可以調(diào)節(jié)精子的活力、誘導(dǎo)精子的超活化、精子的趨藥性等。然而，吸煙會(huì)引起精液中Ca2+濃度的降低，導(dǎo)致精子死亡率上升，存活精子活性降低，從而影響男性的生育。
無(wú)論是小鼠還是人群，吸煙都會(huì)影響精子中糖酵解和氧化磷酸化的過(guò)程，影響精子中的糖代謝，從而影響精子的功能。筆者研究顯示，尼古丁處理小鼠后，精子中的骨架調(diào)節(jié)基因Pfn1的啟動(dòng)子區(qū)域甲基化程度降低，致使PFN1蛋白表達(dá)增加，肌動(dòng)蛋白更新加快，從而導(dǎo)致精子的運(yùn)動(dòng)性增強(qiáng)。但是經(jīng)尼古丁處理后，Sord基因的啟動(dòng)子區(qū)域出現(xiàn)高甲基化，反而使得小鼠附睪尾部尤其是附睪小體中SORD蛋白的表達(dá)水平下調(diào)了，并進(jìn)一步通過(guò)多元醇通路造成精子的能量缺乏以及附睪中的果糖代謝障礙，造成糖酵解異常。這樣就導(dǎo)致了一種讓精子運(yùn)動(dòng)加快，但是能量供給不足的情況，最終導(dǎo)致最好的精子反而不能受孕。
此外，有研究曾將精子置于含有不同濃度的尼古丁的體外培養(yǎng)液中，通過(guò)使用計(jì)算機(jī)輔助精子分析來(lái)評(píng)估精子運(yùn)動(dòng)后的狀態(tài)，結(jié)果顯示，高濃度的尼古丁(≥5.0mM)顯著降低了精子的總運(yùn)動(dòng)性、漸進(jìn)運(yùn)動(dòng)性、曲線速度、側(cè)頭位移幅度、交叉頻率、活力和自發(fā)頂體反應(yīng)。這表明高濃度的尼古丁可能通過(guò)降低精子運(yùn)動(dòng)性、活力和過(guò)早誘導(dǎo)頂體反應(yīng)對(duì)人類精子的受精能力產(chǎn)生不利影響。
吸煙對(duì)睪丸的影響
睪丸是精子發(fā)生和產(chǎn)生雄激素的主要場(chǎng)所。Ochedalski等人發(fā)現(xiàn)吸煙導(dǎo)致男性體內(nèi)的激素水平發(fā)生變化，吸煙者的血清中17-β-雌二酮水平較不吸煙者顯著提高，而促黃體生成素(Luteotropic Hormone, LH)、卵泡刺激素(Follicle Stimulating hormone , FSH)與催乳素(Prolactin, PRL)的含量較不吸煙者顯著降低。他們的研究還發(fā)現(xiàn)PRL含量與精子活動(dòng)能力具有一定的相關(guān)性，PRL含量較低的男性吸煙者，其精子活動(dòng)能力也較低。此外，還有學(xué)者研究了吸煙對(duì)睪丸功能的影響，結(jié)果顯示吸煙改變了血清中的激素含量，從而造成了睪丸中生精細(xì)胞失去功能，精子生成量顯著降低。這些研究結(jié)果均顯示，吸煙引起的內(nèi)分泌水平的改變會(huì)降低男性生殖能力。
筆者研究發(fā)現(xiàn)，香煙煙霧處理可使睪丸中Pebp1基因的啟動(dòng)子區(qū)域發(fā)生高甲基化，導(dǎo)致PEBP1蛋白表達(dá)量減少， ERK1蛋白磷酸化降低，最終影響精子形成。尼古丁處理還降低了睪丸中Nme2基因啟動(dòng)子區(qū)域的甲基化水平，增加了NME2蛋白的表達(dá)量，抑制端粒的合成及端粒酶的活性，導(dǎo)致小鼠精子在長(zhǎng)形精子階段發(fā)生細(xì)胞凋亡。此外，筆者還發(fā)現(xiàn)在暴露于尼古丁環(huán)境的小鼠睪丸間質(zhì)細(xì)胞中，其Tcl1基因的啟動(dòng)子區(qū)域發(fā)生高甲基化，從而降低了TCL1蛋白的表達(dá)量，激活了mTOR自噬途徑，從而導(dǎo)致睪丸間質(zhì)細(xì)胞發(fā)生自噬，最終降低了血清睪酮的含量。
此外，尼古丁還可以使得小鼠的睪丸中的腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子、多巴胺、酪氨酸羥化酶(Tyrosine Hydroxylase, TH)、促氧化劑，即活性氧簇(Reactive Oxygen Species, ROS)和誘導(dǎo)型一氧化氮合成酶(inducible Nitric Oxide Synthase, iNOS)的活性發(fā)生上調(diào)，抗氧化劑的活性發(fā)生下調(diào)，從而導(dǎo)致發(fā)育中的精原細(xì)胞和精母細(xì)胞發(fā)生尼古丁劑量和時(shí)間的依賴性損失、基底膜破裂和DNA損傷，最終降低精子的數(shù)量。
吸煙對(duì)后代的影響
最近的科學(xué)研究表明，吸煙的父親不僅可以增加自發(fā)性流產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)，而且能夠?qū)煵轃熿F引起的跨代損害傳遞給他們的后代。流行病學(xué)研究還表明，早期父親吸煙（11歲前吸煙）與男性（而非女性）后代的肥胖體重指數(shù)相關(guān)。美國(guó)馬薩諸塞大學(xué)醫(yī)學(xué)院研究顯示，若男性吸煙，其后代肝臟中處理外源物的基因表達(dá)上調(diào)，后代有更強(qiáng)的耐藥性。而這種耐藥性不是只針對(duì)特定的物質(zhì)（尼古?。鴮?duì)一些外源物也起作用，這樣的話，藥物或者抗生素甚至化療手段可能在男性吸煙的后代身上的作用減弱。
Fang等通過(guò)二代測(cè)序的手段，分別分析了人和小鼠精子中保留的mRNA的種類和豐度，以及尼古丁處理前后小鼠精子中mRNA表達(dá)譜的變化，結(jié)果顯示，尼古丁處理前后，mRNA的表達(dá)差異高達(dá)16倍。已知mRNA主要參與到胚胎發(fā)育、免疫反應(yīng)，以及一些疾病發(fā)生的途徑中，而一些精子中的轉(zhuǎn)錄本可以通過(guò)受精作用保留在受精卵中，并可能參與調(diào)節(jié)早期的胚胎發(fā)育過(guò)程。因此這提示我們，尼古丁很有可能通過(guò)影響mRNA轉(zhuǎn)錄對(duì)下一代產(chǎn)生一定的影響。
香煙煙霧可以影響作為負(fù)調(diào)節(jié)的微小RNA（miRNA）的功能，導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄后沉默或抑制靶基因表達(dá)。研究發(fā)現(xiàn)，在使用HepG2細(xì)胞的體外模型中，作為香煙煙霧的主要成分的苯并[a]芘能夠誘導(dǎo)中幾種miRNA的表達(dá)，從而改變mRNA轉(zhuǎn)錄水平。而作為能夠被苯并[a]芘調(diào)節(jié)的miRNA，mir-29b、mir-26a-1、mir-122等通常被認(rèn)為與基因毒性、DNA損傷反應(yīng)、DNA修復(fù)、細(xì)胞周期和凋亡信號(hào)有關(guān)。此外，在成年大鼠中，mir-29b含量的增加通常與DNA甲基轉(zhuǎn)移酶和抗凋亡蛋白Mcl-1表達(dá)量的減少相關(guān)，繼而導(dǎo)致成年生殖細(xì)胞凋亡增加等表觀遺傳改變。因此這些結(jié)果表明，香煙煙霧可以影響作為負(fù)調(diào)節(jié)的微小RNA（miRNA）的功能，導(dǎo)致mRNA轉(zhuǎn)錄后沉默或抑制靶基因表達(dá)。
父親吸煙還會(huì)直接誘導(dǎo)氧化DNA損傷、DNA鏈斷裂、染色體畸變、突變和基因表達(dá)的改變，已知吸煙可導(dǎo)致其精子DNA鏈斷裂的基線頻率增加10％左右。香煙煙霧中的苯并[a]芘能夠穿過(guò)血睪屏障，誘導(dǎo)精子DNA損傷，然后傳遞到未出生后代的基因組。有學(xué)者在研究苯并[a]芘對(duì)小鼠的損傷機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn)，精原干細(xì)胞中誘導(dǎo)的DNA損傷被修復(fù)，而精子發(fā)生中誘導(dǎo)的DNA損傷尚未被修復(fù)；同時(shí)還發(fā)現(xiàn)苯并[a]芘-7,8-二醇-9,10-環(huán)氧化物加合物可與精子一起傳遞給后代。而在吸煙人類的精子中，苯并[a]芘DNA加合物的含量也顯著增加，此外，當(dāng)暴露于氧化應(yīng)激時(shí)，成熟精子的DNA損傷程度也會(huì)有所增加。未經(jīng)修補(bǔ)的精子DNA損傷，可能導(dǎo)致后代遺傳不穩(wěn)定。Ahmadi和Ng發(fā)現(xiàn)無(wú)論精子的DNA損害的程度如何，其受精能力不受影響。然而，胚胎發(fā)育卻隨著精子DNA損傷的增加而顯著下降。合子具有一定的修復(fù)DNA損傷的能力，但是如果當(dāng)這個(gè)損傷程度過(guò)大，而且這個(gè)精子沒有被機(jī)體的調(diào)節(jié)機(jī)制所控制的話，則會(huì)導(dǎo)致出生缺陷、遺傳疾病、懷孕喪失和嬰兒死亡。
在哺乳動(dòng)物中，最廣泛研究的表觀遺傳修飾是由DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（DNA methyltransferase, DNMTs）家族介導(dǎo)的CpG二核苷酸內(nèi)的碳5位置（5mC）處的胞嘧啶殘基的甲基化。而香煙煙霧可以通過(guò)DNA損傷和隨后招募DNMTs來(lái)調(diào)節(jié)DNA甲基化狀態(tài)。DNMT1是最重要的DNMT，被認(rèn)為是哺乳動(dòng)物中的關(guān)鍵維持性甲基轉(zhuǎn)移酶。香煙煙霧中的致癌物質(zhì)可以通過(guò)引起雙鏈斷裂來(lái)破壞DNA，而DNA修復(fù)會(huì)招募DNMT1， DNMT1能夠?qū)⑿枰迯?fù)的核苷酸相鄰的CpGs進(jìn)行甲基化。
筆者研究表明，父母吸煙或尼古丁暴露（如電子香煙），均可引發(fā)自身的抑郁。單純父親吸煙，子代多動(dòng)；單純母親吸煙，子代抑郁。而當(dāng)父母均吸煙時(shí)，20%的子女多動(dòng)，70%的子女抑郁。筆者的研究進(jìn)一步揭示出尼古丁處理導(dǎo)致小鼠精子中的mmu-miR-15b的啟動(dòng)子區(qū)域之前的CpG島灘發(fā)生了高甲基化，且這種表觀遺傳學(xué)修飾傳遞到了下一代。而這一表觀遺傳學(xué)信息介導(dǎo)了尼古丁引發(fā)的神經(jīng)精神病學(xué)效應(yīng)的父系跨世代傳遞。在人群中，夫妻中的某一方吸煙，很難保證另一方不被動(dòng)吸煙。因此，無(wú)論是夫妻雙方哪一方吸煙，都會(huì)對(duì)子女產(chǎn)生不利的影響。
尼古丁引發(fā)父系跨世代表觀遺傳學(xué)效應(yīng)的分子機(jī)制示意圖
綜上所述，吸煙或尼古丁暴露可以從多方面的影響男性的生殖能力，從而導(dǎo)致不育等不良后果。同時(shí)吸煙還可以通過(guò)損傷精子，對(duì)后代的生長(zhǎng)、發(fā)育等健康問(wèn)題造成一定的影響。這些事實(shí)提醒我們，應(yīng)該充分認(rèn)識(shí)到吸煙的危害，為了自己和孩子的健康，應(yīng)早日戒煙，同時(shí)育齡期夫婦堅(jiān)決不吸煙。
參考文獻(xiàn)（略）
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