试管婴儿精子的这三方面问题,会影响早期胚胎发育吗？

2021年1月27日发(作者：余尧臣)
试管婴儿精子的这三方面问题，会影响早期胚胎发育吗？


早期胚胎发育 是一个复杂而又调控精细的过程，其异常可能导致胚胎停育、
妊娠率低下、流产、死胎、早产、出生缺陷 和新生儿死亡等。早期研究发
现，胚胎发育主要受母源因素的调控。


但是 越来越多的证据表明，精子作为高度特化的细胞类型，除了为胚胎提供
父源基因组外，还参与了生殖过程 中的多个生物学事件，如精卵融合、卵裂
以及胚胎发育的表观调控等。精子携带的遗传物质和表观遗传信 息异常可能
通过影响早期胚胎的发育而影响体外受精结局。


本文对精子中影响早期胚胎发育的遗传及表观遗传因素及其作用机制进行了
文献综述。


DNA
甲基化模式在生殖细胞发育阶段建立；减数分裂
I
和
II
期间可能发生
染色体分离异常而导致非整倍体；在精子发生的最后阶段即圆形精细胞变态
形成精子的过程中，鱼精蛋白替代和中心体可能出现异常；
DNA
碎片化则
主 要发生于精子中。在精子发生的整个过程中，都可能发生
DNA
双链断裂
及修复障碍、 组蛋白修饰异常和非编码
RNA
丰度异常
(
图
1)
。



图
1
精子发生过程中遗传和表观遗传异常来源


父源遗传因素对早期胚胎发育的影响


- 1 -
精子染色体异常对早期胚胎发育的影响


无论减数分裂
I
还是减数分裂
II
染色体分离错误都会导致精子染色体数目异
常
(
非 整倍体
)
。尽管染色体非整倍精子的发生率很低，但其一旦与卵子受精
后，都可能导致 胚胎停育、流产、死胎等不良妊娠结局或先天出生缺陷等严
重后果
[6-7]
。利用荧 光原位杂交
(FISH)
可以检测精子的染色体组成
[8]
。


研究发现，在大头畸形、多核、多鞭毛精子以及严重的少精子患者的精子
中，非整倍 体的发生率显著升高
[9-10]
。因此，在进行辅助生殖时，对精子
尤其是形态异常 精子或来自严重少精子症患者的精子进行染色体组成分析是
必要的。另外，针对精子染色体数目异常比例 偏高的夫妇，应当告知其发生
流产以及后代染色体异常的风险较高。


- 2 -
精子
DNA
损伤对早期胚胎发育的影响


精子中 的
DNA
损伤可能源自精子发生和成熟的不同阶段，主要类型包括
DNA
单链 切口或双链断裂。导致精子
DNA
损伤的因素可能有氧化应激以及
精细胞变形染色质重 塑时
DNA
断裂修复异常。氧化应激过程中会产生大量
活性氧，而精子中转录失活以及 细胞质很少则会导致其抗氧化活力和
DNA
损伤修复能力不足，进而导致
DNA
损伤，因此精子极易由于氧化应激产生
DNA
损伤。

另外，精子变形时， 绝大多数组蛋白会被鱼精蛋白替代并形成高度浓缩的染
色质，鱼精蛋白比例异常也会导致精子
D NA
损伤的增加，表明鱼精蛋白对
于保持精子
DNA
的完整具有重要意义[14]
。


检测精子
DNA
损伤的方法很多，如精 子染色质结构分析
(SCSA)
、末端脱氧
核苷酸转移酶介导的
dUTP缺口末端标记
(TUNEL)
和单细胞电泳
(Comet)
分
析 等。研究表明，接受辅助生殖治疗的夫妇，其精子
DNA
损伤程度与妊娠
率呈负相关， 与自发性流产
[16]
和体外培养时胚胎不能发育至胚泡阶段的比
例呈正相关。
Schulz
等研究发现，来源于
DNA
损伤程度较高精子的胚胎往
往在< br>6
～
8
细胞阶段发生停滞。另外，对
24
对复发性自发流产的 夫妇进行的
研究发现，其精子
DNA
损伤程度显著高于对照人群。


尽管这些研究表明精子
DNA
损伤与胚胎发育密切相关，但目前尚不清楚导
致 胚胎发育异常的精子
DNA
损伤的阈值。确定不影响胚胎发育正常进行的
精子
DNA
损伤阈值，将有助于对精子质量进行评估，并通过精子选择技
术，挑选
DNA< br>损伤水平低于阈值的精子用于辅助生殖，从而提高辅助生殖
成功率，降低辅助生殖技术导致后代异 常的风险。



父源表观遗传因素对早期胚胎发育的影响


由于精子独特的功能需求，其表观修饰高度特化。在精子发生过程中，染色
质上的绝 大多数组蛋白被鱼精蛋白替换，形成包装紧密的精子头部，并保护
精子携带的
DNA
不 被雌性生殖道环境破坏；而未被鱼精蛋白替换的组蛋白
则可以发生不同的化学修饰。此外，精子
DNA
则保持高度甲基化状态。这
些表观修饰共同构成了精子独特的表观修饰状态。


有证据表明，来自精子的多种不同形式的表观遗传信息对于哺乳动物早期胚
胎的正常 发育是必需的，这些修饰包括：


?

DNA
甲基化；

组蛋白修饰；

染色质高级结构包装；

精子来源的非编码
RNA(ncRNAs)
。


- 1 -
精子
DNA
甲基化对早期胚胎发育的影响


DNA< br>甲基化是一种重要的基因表达调控方式，它参与了基因组印记、
X
染
色体沉默、 基因的时空表达调控以及防御外源性遗传物质入侵等多个过程。
启动子区域
DNA
甲基 化水平的改变可以激活或者抑制基因转录。启动子区
域的高甲基化可以阻止启动子与转录因子的结合，从 而抑制这些基因表达。
相反，低甲基化则可增加
RNA
聚合酶与
DNA
结合，从而促进基因的转
录。


?

?

?

在小鼠和人等哺乳动物的生命周期中，存在两次全基因组范围的去甲基化。
一次是在原始生殖细胞发育过程中，全基因组中包括印记基因在内的大部分
基因都发生去甲基化，抹去 父母来源的印记而恢复发育多能性；另一次是在
受精卵着床前早期胚胎发育过程中，即高度特化的精子和 卵子，经去甲基化
产生具有多能性的胚胎干细胞。着床后，早期胚胎的基因组会重新发生甲基
化 。


值得注意的是，受精后父源和母源基因组去甲基化是不同步的，并且父母的配子中基因组特定的区域如印记基因不会发生去甲基化，因此父源或者母源
基因组甲基化水平异常可 能是部分受精卵没有明显异常但着床失败的原因。
Benchaib
等发现在
IVF< br>患者中，精子
DNA
低甲基化
(<555 AU)
与低妊娠率
相关
(8.3%
，正常组
33.3%)
。在另外一项研究中，
Kel ly
等使用去甲基化剂
5-
氮杂
-2
’
-
脱氧胞苷 处理来降低小鼠精子
DNA
的甲基化水平，发现小鼠妊
娠率显著下降，植入前胚胎停育 比例升高。同时，
DNA
甲基化模式的改变
也会导致印记基因表达异常，进而诱发早期 胚胎发育障碍及胚胎畸形等。相
关研究表明，超过一半的
Beckwith-Wiedeman
综合征和大约
10%
的
Angelman
综合征的发生都与表观遗传 缺陷有关。


上述研究表明，精子
DNA
甲基化修饰水平对于早期 胚胎发育具有重要意
义，不合适的
DNA
甲基化会导致妊娠率下降或早期胚胎发育异常 。因此，
明确精子
DNA
甲基化和胚胎发育之间的联系，将有助于对早期胚胎发育异< br>常相关疾病的预防和诊治。



- 2 -

精子组蛋白修饰对早期胚胎发育的影响


雄配子最独特的表观遗传特征之一 是鱼精蛋白替换了组蛋白，形成高度凝集
的细胞核结构，以保护其
DNA
不被破坏，同 时维持精子的运动能力。但
是，精子染色体的部分区域
(1%
～
10%)仍保留了组蛋白及其修饰。研究表明
这些组蛋白保留区域不是随机分布的，而是显著富集在发育相关 的位点，包
括印记基因簇、小
RNA
簇、
HOX
基因簇和分散分布的 发育相关转录调控因
子启动子区域。理论上，精子中的这种组蛋白及其修饰的选择性保留可以允
许胚胎发育过程中特定靶基因的激活或沉默，从而调控早期胚胎发育


。研究确实发 现，精子中
H3K4me2
和
H3K4me3
富集的基因与胚胎发育过
程密切相关，
H3K27me3
则富集在早期胚胎发育过程中沉默基因的启动子
附近 。在另外一项研究中，
Hammoud
等还发现，在导致
IVF
早期胚胎停育
的不育男性精子中，组蛋白保留区域是随机分布的，不同于可育人群精子中
保留组蛋白的分布。 同时他们还发现，这些不育男性精子中与发育相关基因