吸烟对男性生殖和后代的影响

吸烟对男性生殖和后代的影响
图源:medsci

吸烟是世界上最大的公共卫生问题之一。世界卫生组织(World health organization,WHO)在2017年公布的数据显示,截至2016年,全球的烟草使用者高达13亿,全球每年有600万人以上因直接或间接吸烟而死亡。我国作为一个烟草大国,吸烟者超过3.2亿,另有约7.4亿人被动吸烟,其中包括1.8亿儿童。

香烟烟雾中含有的各类化学物质共计4 000余种,包括焦油、一氧化碳、各种致癌物质、尼古丁等。大量流行病学调查显示,吸烟与肿瘤、呼吸系统和心脑血管方面的疾病的发生密切相关。此外,吸烟还会对精神疾病产生影响。由于尼古丁的作用,偶然吸烟会使人产生快感。精神抑郁的人开始吸烟时,抑郁的症状会有所缓解。但是随着时间的推移,抑郁患者大脑中的尼古丁受体全部结合了尼古丁后,缓解抑郁的作用就会减弱。为了不产生抑郁,患者就会加大吸烟的量,从而进入一个“越吸烟越抑郁”的状态。

笔者研究发现,吸烟对男性生殖系统也存在着一定的危害,并且还会通过损伤精子,对后代产生不利的影响。

吸烟对男性生育能力的影响

流行病学调查显示,吸烟行为与男性的生育能力之间具有较高的相关性,其主要表现为精液中精子密度降低、精子运动能力减弱、精子形态异常,以及体外受精受孕率降低。这一现象直接导致了吸烟男性生育能力的降低,甚至因而影响到后代的健康。

笔者研究发现,雄性小鼠每天吸2支烟(相当于1个成年人每天吸20支烟的水平),连续吸烟5周以后,其精子的活动能力和运动性均会降低,且小鼠的出生率降低,出生后小鼠的死亡率也会增加。

钱英超等采用精子图像分析系统检测368位男性精子的成活率,并对其进行统计学分析,结果显示:吸烟组男性的精子成活率低于非吸烟组,其中烟龄10年以上组男性的a级精子成活率同烟龄10年以下组的差别不大,但其b级精子成活率则低于烟龄10年以下组;每日吸烟量多于20支组的男性,其a级和b级精子成活率均低于每日吸烟量少于20支组的。这表明吸烟是导致男性精子成活率下降的重要因素,长期或大量吸烟会降低精子质量。

曾有研究者通过对207例男性精子DNA碎片化指数(Sperm DNA Fragmentation, SDF)的检测发现,长期大量吸烟可导致男性精液质量下降和精子DNA的损伤,从而影响男性生育。正确的鱼精蛋白与组蛋白比例对于精子产生是必不可少的,而有研究者发现吸烟可以通过造成组蛋白-鱼精蛋白转换异常,导致精子暴露于过量的氧自由基环境,造成其DNA损伤,最终降低了精子的活力。

也有研究者发现香烟烟雾处理能够改变附睾氧化应激状态,从而影响精子的获能,妨害精子的形成与成熟,造成畸形精子症、弱精症甚至无精症,最终造成精液质量的下降。同时,吸烟可能会增高男性体内抗精子抗体的阳性检出率,对精子形态造成不利影响,造成精子畸形,从而可能影响男性的生殖能力。这些研究均表明,吸烟可致精子活力降低,畸形率增加,是男性不育发生的一个重要影响因素。

吸烟对精子的影响

笔者研究表明,尼古丁处理还可以使小鼠生精细胞中Trim27基因的启动子区域发生低甲基化修饰,从而诱导肿瘤坏死因子(Tumor Necrosis Factor,TNF)介导的凋亡通路中的关键蛋白RIP1发生去泛素化修饰,导致小鼠精子在长形精子阶段发生细胞凋亡。

乳酸脱氢酶C (Lactate Dehydrogenase C, LDHC)是睾丸和精子中最丰富的乳酸脱氢酶异构体,在生殖细胞的能量代谢中具有关键作用。微摩尔级的尼古丁或可替宁(尼古丁的代谢产物)均可通过疏水作用力和氢键以竞争性方式抑制LDHC活性,导致LDHC含量降低,最终可导致不孕。

离子跨膜转运在精子的生理活动中也发挥重要作用。在影响精子生理活动的众多离子中,精子内游离的Ca2+是调控精子活动等生理功能的关键因素,依靠精子鞭毛的主段和中段内Ca2+浓度的改变可以调节精子的活力、诱导精子的超活化、精子的趋药性等。然而,吸烟会引起精液中Ca2+浓度的降低,导致精子死亡率上升,存活精子活性降低,从而影响男性的生育。

无论是小鼠还是人群,吸烟都会影响精子中糖酵解和氧化磷酸化的过程,影响精子中的糖代谢,从而影响精子的功能。笔者研究显示,尼古丁处理小鼠后,精子中的骨架调节基因Pfn1的启动子区域甲基化程度降低,致使PFN1蛋白表达增加,肌动蛋白更新加快,从而导致精子的运动性增强。但是经尼古丁处理后,Sord基因的启动子区域出现高甲基化,反而使得小鼠附睾尾部尤其是附睾小体中SORD蛋白的表达水平下调了,并进一步通过多元醇通路造成精子的能量缺乏以及附睾中的果糖代谢障碍,造成糖酵解异常。这样就导致了一种让精子运动加快,但是能量供给不足的情况,最终导致最好的精子反而不能受孕。

此外,有研究曾将精子置于含有不同浓度的尼古丁的体外培养液中,通过使用计算机辅助精子分析来评估精子运动后的状态,结果显示,高浓度的尼古丁(≥5.0mM)显著降低了精子的总运动性、渐进运动性、曲线速度、侧头位移幅度、交叉频率、活力和自发顶体反应。这表明高浓度的尼古丁可能通过降低精子运动性、活力和过早诱导顶体反应对人类精子的受精能力产生不利影响。

吸烟对睾丸的影响

睾丸是精子发生和产生雄激素的主要场所。Ochedalski等人发现吸烟导致男性体内的激素水平发生变化,吸烟者的血清中17-β-雌二酮水平较不吸烟者显著提高,而促黄体生成素(Luteotropic Hormone, LH)、卵泡刺激素(Follicle Stimulating hormone , FSH)与催乳素(Prolactin, PRL)的含量较不吸烟者显著降低。他们的研究还发现PRL含量与精子活动能力具有一定的相关性,PRL含量较低的男性吸烟者,其精子活动能力也较低。此外,还有学者研究了吸烟对睾丸功能的影响,结果显示吸烟改变了血清中的激素含量,从而造成了睾丸中生精细胞失去功能,精子生成量显著降低。这些研究结果均显示,吸烟引起的内分泌水平的改变会降低男性生殖能力。

笔者研究发现,香烟烟雾处理可使睾丸中Pebp1基因的启动子区域发生高甲基化,导致PEBP1蛋白表达量减少,ERK1蛋白磷酸化降低,最终影响精子形成。尼古丁处理还降低了睾丸中Nme2基因启动子区域的甲基化水平,增加了NME2蛋白的表达量,抑制端粒的合成及端粒酶的活性,导致小鼠精子在长形精子阶段发生细胞凋亡。此外,笔者还发现在暴露于尼古丁环境的小鼠睾丸间质细胞中,其Tcl1基因的启动子区域发生高甲基化,从而降低了TCL1蛋白的表达量,激活了mTOR自噬途径,从而导致睾丸间质细胞发生自噬,最终降低了血清睾酮的含量。

此外,尼古丁还可以使得小鼠的睾丸中的脑源性神经营养因子、多巴胺、酪氨酸羟化酶(Tyrosine Hydroxylase, TH)、促氧化剂,即活性氧簇(Reactive Oxygen Species, ROS)和诱导型一氧化氮合成酶(inducible Nitric Oxide Synthase, iNOS)的活性发生上调,抗氧化剂的活性发生下调,从而导致发育中的精原细胞和精母细胞发生尼古丁剂量和时间的依赖性损失、基底膜破裂和DNA损伤,最终降低精子的数量。

吸烟对后代的影响

最近的科学研究表明,吸烟的父亲不仅可以增加自发性流产的风险,而且能够将烟草烟雾引起的跨代损害传递给他们的后代。流行病学研究还表明,早期父亲吸烟(11岁前吸烟)与男性(而非女性)后代的肥胖体重指数相关。美国马萨诸塞大学医学院研究显示,若男性吸烟,其后代肝脏中处理外源物的基因表达上调,后代有更强的耐药性。而这种耐药性不是只针对特定的物质(尼古丁),而对一些外源物也起作用,这样的话,药物或者抗生素甚至化疗手段可能在男性吸烟的后代身上的作用减弱。

Fang等通过二代测序的手段,分别分析了人和小鼠精子中保留的mRNA的种类和丰度,以及尼古丁处理前后小鼠精子中mRNA表达谱的变化,结果显示,尼古丁处理前后,mRNA的表达差异高达16倍。已知mRNA主要参与到胚胎发育、免疫反应,以及一些疾病发生的途径中,而一些精子中的转录本可以通过受精作用保留在受精卵中,并可能参与调节早期的胚胎发育过程。因此这提示我们,尼古丁很有可能通过影响mRNA转录对下一代产生一定的影响。

香烟烟雾可以影响作为负调节的微小RNA(miRNA)的功能,导致转录后沉默或抑制靶基因表达。研究发现,在使用HepG2细胞的体外模型中,作为香烟烟雾的主要成分的苯并[a]芘能够诱导中几种miRNA的表达,从而改变mRNA转录水平。而作为能够被苯并[a]芘调节的miRNA,mir-29b、mir-26a-1、mir-122等通常被认为与基因毒性、DNA损伤反应、DNA修复、细胞周期和凋亡信号有关。此外,在成年大鼠中,mir-29b含量的增加通常与DNA甲基转移酶和抗凋亡蛋白Mcl-1表达量的减少相关,继而导致成年生殖细胞凋亡增加等表观遗传改变。因此这些结果表明,香烟烟雾可以影响作为负调节的微小RNA(miRNA)的功能,导致mRNA转录后沉默或抑制靶基因表达。

父亲吸烟还会直接诱导氧化DNA损伤、DNA链断裂、染色体畸变、突变和基因表达的改变,已知吸烟可导致其精子DNA链断裂的基线频率增加10%左右。香烟烟雾中的苯并[a]芘能够穿过血睾屏障,诱导精子DNA损伤,然后传递到未出生后代的基因组。有学者在研究苯并[a]芘对小鼠的损伤机制时发现,精原干细胞中诱导的DNA损伤被修复,而精子发生中诱导的DNA损伤尚未被修复;同时还发现苯并[a]芘-7,8-二醇-9,10-环氧化物加合物可与精子一起传递给后代。而在吸烟人类的精子中,苯并[a]芘DNA加合物的含量也显著增加,此外,当暴露于氧化应激时,成熟精子的DNA损伤程度也会有所增加。未经修补的精子DNA损伤,可能导致后代遗传不稳定。Ahmadi和Ng发现无论精子的DNA损害的程度如何,其受精能力不受影响。然而,胚胎发育却随着精子DNA损伤的增加而显着下降。合子具有一定的修复DNA损伤的能力,但是如果当这个损伤程度过大,而且这个精子没有被机体的调节机制所控制的话,则会导致出生缺陷、遗传疾病、怀孕丧失和婴儿死亡。

在哺乳动物中,最广泛研究的表观遗传修饰是由DNA甲基转移酶(DNA methyltransferase, DNMTs)家族介导的CpG二核苷酸内的碳5位置(5mC)处的胞嘧啶残基的甲基化。而香烟烟雾可以通过DNA损伤和随后招募DNMTs来调节DNA甲基化状态。DNMT1是最重要的DNMT,被认为是哺乳动物中的关键维持性甲基转移酶。香烟烟雾中的致癌物质可以通过引起双链断裂来破坏DNA,而DNA修复会招募DNMT1, DNMT1能够将需要修复的核苷酸相邻的CpGs进行甲基化。

笔者研究表明,父母吸烟或尼古丁暴露(如电子香烟),均可引发自身的抑郁。单纯父亲吸烟,子代多动;单纯母亲吸烟,子代抑郁。而当父母均吸烟时,20%的子女多动,70%的子女抑郁。笔者的研究进一步揭示出尼古丁处理导致小鼠精子中的mmu-miR-15b的启动子区域之前的CpG岛滩发生了高甲基化,且这种表观遗传学修饰传递到了下一代。而这一表观遗传学信息介导了尼古丁引发的神经精神病学效应的父系跨世代传递。在人群中,夫妻中的某一方吸烟,很难保证另一方不被动吸烟。因此,无论是夫妻双方哪一方吸烟,都会对子女产生不利的影响。

尼古丁引发父系跨世代表观遗传学效应的分子机制示意图

综上所述,吸烟或尼古丁暴露可以从多方面的影响男性的生殖能力,从而导致不育等不良后果。同时吸烟还可以通过损伤精子,对后代的生长、发育等健康问题造成一定的影响。这些事实提醒我们,应该充分认识到吸烟的危害,为了自己和孩子的健康,应早日戒烟,同时育龄期夫妇坚决不吸烟。

来源:文章来源:细胞,作者:张东,乔中东,文章已经发表在2018年第五期的《科学》杂志,文章为原文作者独立观点,不代表新营养立场。

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