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Nature
暴露于辐射会导致DNA损伤，使个体容易发生突变和癌症[1],但辐射所致的DNA损伤是否可以遗传给后代却一直是困扰生物学界的一大未解之谜。日本原子弹爆炸和乌克兰切尔诺贝利核电站泄露产生的核辐射是否对人类有跨代影响目前也缺乏相关的研究结论[2,3]。2022 年 12 月 21 日，德国科隆衰老及衰老相关性疾病研究所的王斯瑶博士（第一作者兼共同通讯作者）和Björn Schumacher教授（共同通讯作者）在Nature上发表论文“Inheritance of paternal DNA damage by histone-mediated repair restriction”[4]，该研究使用秀丽隐杆线虫作为动物模型，发现成熟精子的辐射损伤不能被修复，并会通过组蛋白介导的修复抑制遗传给后代。文章提出的这些跨代效应的机制可能可以解释为什么在暴露于辐射的人类中未观察到类似的结果。
DNA损伤是普遍存在的生理状况，可能是衰老的原因之一[5]。大多数损伤要么通过多种交织的DNA修复途径被准确修复，要么促使严重受损的细胞经程序性凋亡途径死亡。但DNA修复有时是错误的，错误修复虽然可以让细胞存活下来，但与此同时突变却形成了。生殖细胞（卵子和精子）的突变是进化变异的来源，但它们也是造成胚胎致死和遗传疾病的原因。现有的研究表明，人类基因突变的主要来源于精子的突变[6]。精子突变频率随着父亲年龄的增加而增加，父亲的生育年龄的增加会导致遗传病风险增加，此外还会导致女儿寿命缩短[6,7]。
在这项研究中，王斯瑶和他的同事利用线虫研究了暴露于电离辐射下的亲代如何影响第一代(F1)和第二代(F2)的后代。野生型秀丽隐杆线虫有两性，雌雄同体和雄性。在实验中，对雄性线虫或“雌性”（这里使用了fog-2突变株，该突变株可以产生卵母细胞但不能产生精子，需要与雄虫进行交配）进行辐射，然后立即与健康的异性线虫交配。在雌性中，辐射在F1代中引起了较高的胚胎死亡率，但对F2代的影响很小(F2由存活的F1代线虫与健康的线虫交配获得)。与雌性不同的是，受辐射的雄性产生的F1代胚胎死亡率较低，但F2代的胚胎死亡率却极大的提高(图1)。然而，这些跨代效应只在受辐射的雄虫立即与健康的雌虫交配时才会出现，而在交配延迟时则不会出现。由于线虫的精子是连续产生的，所以这一发现表明只有成熟的精子会受到辐射的影响。
图1：雄性线虫辐射诱导DNA损伤的跨代遗传
为了更深入地了解胚胎致死是如何跳过F1代的，作者研究了受辐射雄性的后代。作者在这些线虫的胚胎和成虫肠道细胞中发现了染色体缺陷，这表明父系生殖细胞系中的DNA损伤以某种方式绕过了正常情况下会导致胚胎发育停止的生物检查点。
通常电离辐射引起的DNA损伤通过两种主要的DNA修复途径之一进行修复：同源重组修复(HRR)和非同源末端连接。然而，当这些途径不可用时，就会使用高度易出错的DNA修复途径DNA聚合酶θ介导的末端连接(TMEJ)。使用这一修复途径导致突变的形成，包括染色体之间DNA片段交换引起的基因组结构变异。
作者对F1代线虫进行的全基因组测序发现了异常大量的这种基因组结构变异，这是TMEJ修复的标志。因此，作者得出结论，TMEJ修复通过使F1虫的DNA抵抗损伤检查点，从而防止F1虫的胚胎死亡（损伤检查点可使受辐射雌性F1后代的胚胎发育中止）。
作者的最后一组实验解释了受辐射的雄性产生的F2代中，胚胎死亡率是如何显著增加的。作者关注F1代的分子变化，并观察到在致密DNA（异染色质）形成中起作用的某些蛋白质的高表达，包括异染色质蛋白-1 (HPL-1)和一些“组蛋白连接”蛋白(图2)。当HPL-1或组蛋白连接蛋白HIS-24在受辐射的雄性线虫(P0代)中被敲除时，跨代胚胎致死现象就会消失。当F1代缺乏HRR修复通路（高精确修复通路）时，无论HPL-1和HIS-24有没有被敲除，都无法阻止F2代的胚胎死亡。这些发现使作者得出结论，父系遗传的DNA损伤与增加相关，异染色质形成阻止生殖细胞系细胞使用精确的DNA修复机制(图1)。因此导致基因组的结构突变，致使F2代的胚胎死亡。
图2：辐射后第二代雌性（Δmf）和雄性（Δmm）的生殖细胞内出现了更多的异染色质结构 （绿色荧光显示了异染色质标记物H3K9me2，蓝色荧光为DNA）
综上所述，王斯瑶及其团队发现并建立了DNA损伤的跨代遗传机制。上述机制也可以解释为什么人类身上无辐射跨代遗传现象（因为受辐射后通常会进行备孕，从而能排出已受损的成熟精子）。
这一研究提醒我们应该提高对男性，尤其是对备孕期男性辐射安全的重视。考虑到后代潜在的健康风险，成熟精子需要被特别保护以免受到辐射损伤，而受损的精子也应避免用于人工授精。最后友情提醒各位想当爸爸的男性朋友，别忘了科学备孕哦！
参考文献
[1] Stratton Michael R,Campbell Peter J,Futreal P Andrew,The cancer genome.[J] .Nature, 2009, 458: 719-24.
[2] Kodaira M,Ryo H,Kamada N et al. No evidence of increased mutation rates at microsatellite loci in offspring of A-bomb survivors.[J] .Radiat Res, 2010, 173: 205-13.
[3] Yeager Meredith,Machiela Mitchell J,Kothiyal Prachi et al. Lack of transgenerational effects of ionizing radiation exposure from the Chernobyl accident.[J] .Science, 2021, 372: 725-729.
[4] Wang Siyao,Meyer David H,Schumacher Björn,Inheritance of paternal DNA damage by histone-mediated repair restriction.[J] .Nature, 2023, 613: 365-374.
[5] Schumacher Björn,Pothof Joris,Vijg Jan et al. The central role of DNA damage in the ageing process.[J] .Nature, 2021, 592: 695-703.
[6] Kong, A., Frigge, M., Masson, G. et al. Rate of de novo mutations and the importance of father’s age to disease risk. Nature 488, 471–475 (2012)
[7] Gavrilov L A,Gavrilova N S,Kroutko V N et al. Mutation load and human longevity.[J] .Mutat Res, 1997, 377: 61-2.
