炎症对猪附睾中tsRNA生成及向精子传递的影响与机制研究

Sperm quality is one of the key factors which affecting the reproductive efficiency of livestock. It was thought that sperm just provided male nucleus genetics into zygote. Recently, a large number of tRNA-derived small RNA (tsRNA) were found in spermatozoa and participate in the regulation of embryonic development. Our preliminary results showed that the abundance of tsRNA in spermatozoa was increased mice with inflammatory response. Moreover, the litter size of female mice was reduced when fertilized with this spermatozoa. However, the origin of tsRNA is unknown. Based on these results, we hypothesized that "Inflammation can cause a change in epididymal tsRNA biogenesis, and then the tsRNA deliver to sperm through the epididymosomes and interfer the development and survival of early embryos". The project will be focus on the biogenesis of tsRNA in the boar epididymis. Moreover, to investigate the origin of sperm tsRNA in inflammatory boar and its effects on the quality of embryo. The main contents including: ① To clarify the effects and the regulation mechanisms of inflammation on epididymal tsRNA biogenesis; ② To clarify the process of tsRNA delivery through epididymosomes to spermatozoa; ③ To clarify the effects of tsRNA on the quality of embryo. The results shed light on the functions of tsRNA in inheritance of acquired traits, and provide theoretical guidance for improving boar sperm quality and improving reproductive efficiency.

精子质量是影响畜禽繁殖效率的关键因素之一。以往认为精子仅向合子提供雄性细胞核内的遗传物质，最近研究发现精子中携带大量tRNA衍生的小RNA（tsRNA），可进入受精卵并参与胚胎发育的调节。课题组前期结果表明，炎症状态下小鼠精子中tsRNA含量增加，用此类精液受精后雌性窝产仔数减少，但精子中tsRNA的来源不明。我们提出“炎症可引起附睾中tsRNA的生成发生改变，生成的tsRNA通过附睾小体传递给精子，干扰早期胚胎的发育和存活”的假说。项目以猪附睾中tsRNA的生成为重点，研究炎症状态下猪精子中tsRNA的来源及对胚胎质量的影响。研究内容主要包括：①阐明炎症对附睾tsRNA生成的影响及机制；②明确附睾小体向精子传递tsRNA的过程；③明确猪精子中获得的tsRNA对胚胎质量的影响。所得结果从理论上可揭示tsRNA在父子遗传信息传递中的效应，在生产中可为提高猪精子质量、提升繁殖效率提供理论指导。

繁殖效率低下是制约我国养猪业发展的重要因素之一，公猪精液品质对于提高配种效率、增加窝产仔数、提升繁殖效率至关重要。此外，精子所携带的遗传信息对于品种优良性状的形成和退化具有重要意义。以往认为精子仅向合子提供雄性生殖细胞核内的遗传物质。最近研究发现，精子中携带大量非编码小RNA（sncRNA），并随着受精过程进入受精卵，调控胚胎发育并影响子代的生理生化特征。本项目围绕“炎症状态下精子表观遗传信息发生改变并影响胚胎发育和子代表型”的假说，深入探究了精子tRNA衍生的小RNA（tsRNA）等分子的外、内部来源途径及其效应。主要研究结果包括：①揭示了父本交配前炎症反应诱发子代代谢障碍的作用机制，发现敲除血管生成素（Ang）可阻断父本炎症诱发子代代谢障碍，证实Ang介导炎症诱发精子tsRNA组成变化引发子代代谢障碍的作用机制；②发现急性氧化应激引起精子中sncRNA组成的改变，此类sncRNA可诱发子代肝脏糖代谢异常和焦虑样、抑郁样行为；③发现父本交配前炎症改变精子胰岛素样生长因子（Igf2）印记调控区域的甲基化水平并传递给子代，促进子代生长和肝脏再生；④发现猪精清中所携带的外泌体可合成ATP，ATP可诱导精子GSK3α磷酸化从而降低其活性，改变精子线粒体的重塑过程，进而提高精子活力。所得结果从理论上揭示了炎症对精子sncRNA组成、DNA甲基化等表观遗传信息的影响及其在父子信息传递中的作用，在生产中可为提高猪精子质量，提升繁殖效率，阐明畜禽种质性状的形成和退化提供理论指导。在本项目的资助下，在Nature Communications等著名期刊上发表论文共8篇，其中SCI论文7篇。此外，基于本项目的工作基础，再次获批一项国家自然基金面上项目。