微量单细胞揭示妊娠母体肥胖会在卵母细胞中留下甲基化标记
2026-10-21 来源:本站 点击次数:62
母源肥胖会显著增加子代罹患代谢性疾病的风险，但这种风险究竟如何通过卵母细胞（oocyte）传递，其分子机制长期未明。2026年10月2日，南京医科大学生殖医学与子代健康全国重点实验室韩龙森副教授等为第一作者、王强教授等为通讯作者，在《Nature Metabolism》期刊（IF27.5/Q1）发表题为“Maternal obesity imprints methylation marks in oocytes to drive intergenerational metabolic dysfunction”的高水平科研论文。研究以高脂饮食（HFD）诱导的肥胖雌性小鼠为模型，利用单细胞全基因组亚硫酸盐测序（scWGBS）对 MII 卵母细胞进行甲基化组分析，鉴定出母体肥胖诱导的卵母细胞位点发生特异性甲基化变化，从而驱动子代组织特异性和性别特异性的代际代谢功能障碍。
标题：Maternal obesity imprints methylation marks in oocytes to drive intergenerational metabolic dysfunction（妊娠母体肥胖会在卵母细胞中留下甲基化标记，以驱动代际代谢功能障碍）
发表时间：2026-10-02
发表期刊：Nature Metabolism
影响因子：IF27.5/Q1
技术平台：scWGBS
作者单位：南京医科大学、常州市妇幼保健院、重庆市妇幼保健院、南京中医药大学等
DOI:10.1038/s42255-026-01617-6
本研究首先系统绘制了肥胖雌性小鼠卵母细胞的全基因组DNA甲基化图谱，发现母体肥胖可在卵母细胞中诱导位点特异性的DNA甲基化变化，其中以Hnf1α、Thra和Pdk4为代表的代谢相关基因表现出持续跨代的甲基化与转录失调。这些甲基化标记在胚胎发育早期被擦除，但H3K36me2富集在这些位点得以保留，在出生后种系与体细胞中又被重新建立，构成一种“表观遗传记忆”，以组织特异性和性别特异性的方式驱动 F1、F2 代（甚至 F3 代）的代谢功能障碍。
研究进一步通过dCas9–Dnmt3a靶向甲基化编辑直接证明卵母细胞中Hnf1α-DMR和Pdk4-DMR高甲基化可编程雌性后代的糖代谢异常，并发现人类肥胖女性卵母细胞中存在保守的 HNF1A/THRA 高甲基化特征。
该研究为“母体肥胖通过种系在特定位点的甲基化记忆影响子代代际代谢健康”提供了直接因果证据，并提示孕前阶段是潜在干预的关键窗口期。
图形摘要：母体肥胖诱导的卵母细胞诱导代际代谢编程机制
研究方法
（1）小鼠模型：同基因型B6雌性小鼠分别喂养高脂饮食（HFD）或正常饮食（ND）8周，建立母体肥胖模型（F0），并通过ND雄鼠交配获得F1、F2、F3后代。
（2）scWGBS：每组取15个MII卵母细胞构建卵母细胞全基因组甲基化图谱，全局与位点特异性甲基化分析、差异甲基化区域(DMR)鉴定，筛选候选代谢基因。
（3）甲基化验证：验证卵母细胞及子代组织中 Hnf1α、Thra、Pdk4、Sorl1、Trpv4 等 DMR 甲基化状态。
（4）qRT-PCR转录组检测：收集F1、F2雌性后代脂肪组织、肝脏、骨骼肌、胰岛等多组织，分析候选代谢基因的表达变化。
（5）CpG相关性分析：对关键DMR内的单个CpG位点进行甲基化与基因表达的相关性分析。
（6）染色质分析：CUT&Tag-qPCR检测F0囊胚与PD14 F1雌性肝脏中Hnf1α-DMR、Thra-DMR的H3K27me3和H3K36me2富集，探究甲基化重建的染色质线索。
（7）甲基化编辑及WGBS脱靶分析：将靶向DMR的sgRNA与dCas9-Dnmt3a mRNA共注射入生发泡（GV）卵母细胞，构建Pdk4^Hyper^和Hnf1α^Hyper^小鼠，通过WGBS进行脱靶分析评估编辑特异性。
（8）人类样本验证：对消瘦型（BMI 18-23）和肥胖型（BMI 27-37）女性的GV卵母细胞进行酶学甲基化测序（EM-seq）分析人与小鼠 HNF1A、THRA 直系同源区域的甲基化状态，验证其保守性。
结果图形
（1）肥胖卵母细胞中异常甲基化代谢基因的全基因组鉴定
图1：肥胖小鼠卵母细胞中异常甲基化代谢基因的全基因组鉴定。
（2）肥胖后代中代谢基因失调的持续跨代
图 2：母体肥胖诱导代谢基因表达跨两代持续性失调。
a. 正常饮食（ND）或高脂饮食（HFD）的雌性小鼠获得 F1 和 F2后代的交配策略。
b. 所分析的代谢组织，以及以及F1和F2雌性小鼠后代中用于mRNA表达分析的基因数量。
c. 候选代谢基因在F1和F2雌性小鼠各组织中的表达模式。
d-f. 在雌性小鼠跨两代中呈现一致且持续表达变化的代表性基因：白色脂肪组织（WAT）中的Sorl1和Trpv4（d）、肝脏中的Hnf1α和Thra（e），以及骨骼肌中的Pdk4（f）。
（3）关键位点卵母细胞甲基化变化的代际遗传
图3：关键代谢位点DNA甲基化变化的持续跨代
a. F1和F2雌性的MII卵母细胞及雌性后代代谢组织DNA甲基化分析实验设计示意图。
b. Hnf1α、Thra、Pdk4、Sorl1和Trpv4代谢基因在卵母细胞和两代雌性组织中的DNA甲基化变化。
c. Hnf1α的基因组结构，DMR以红色突出显示。
d-e. Hnf1α-DMR在F1和F2卵母细胞（d）及肝脏组织（e）中的DNA甲基化状态。
f. Thra的基因组结构。
g-h，Thra-DMR在F1和F2卵母细胞（g）及肝脏组织（h）中的DNA甲基化状态。
i. Pdk4位点示意图，红色显示DMR位置。
j-k. Pdk4-DMR在F1和F2卵母细胞（j）及骨骼肌（k）中的甲基化状态。
（4）肥胖诱导甲基化标记在出生后重编程
图4：肥胖卵母细胞来源的超甲基化DMR的动态重编程
a. 样本采集示意图，包括F0雌性的MII卵母细胞和囊胚，以及F1雌性后代的PGC（E13.5）、生长中卵母细胞（PD14）、MII卵母细胞和肝脏。
b. Hnf1α-DMR在雌性种系发育过程中的DNA甲基化状态。
c. F1雌性小鼠肝脏中Hnf1α-DMR的DNA甲基化状态。
d. Hnf1α-DMR在种系发育和出生后体细胞重编程过程中的甲基化动态示意图。
e. Thra-DMR在种系发育和出生后体细胞重编程过程中的甲基化动态示意图。
f. Pdk4-DMR在种系发育过程中的甲基化动态示意图。
g. F0囊胚和PD14 F1雌性肝脏中Hnf1α-DMR和Thra-DMR的候选染色质分析。
h. CUT&Tag-qPCR分析F0囊胚中Hnf1α-DMR和Thra-DMR的H3K27me3和H3K36me2富集。
i. CUT&Tag-qPCR分析PD14 F1雌性肝脏中Hnf1α-DMR和Thra-DMR的H3K27me3和H3K36me2富集。
（5）作为基因表达调控因子的CpG甲基化标记
图5：代谢位点的甲基化标记调控基因表达
a-b. ND和HFD组F1（n=16）（a）和F2（n=16）（b）雌性肝脏中Hnf1a-DMR内单个CpG甲基化与Hnf1a表达之间的相关性。
c. 两代中均与Hnf1a表达显著相关的CpG位点，指定为甲基化地标。
d-e. ND和HFD组F1（n=14）（d）和F2（n=12）（e）雌性肝脏中Thra-DMR内单个CpG位点与Thra表达之间的相关性。
f. 在两代中均与Thra表达显著相关的CpG位点，指定为甲基化地标。
g-h. ND和HFD组F1（n=16）（g）和F2（n=16）（h）雌性骨骼肌中Pdk4-DMR内单个CpG甲基化与Pdk4表达之间的相关性。
i. 在两代中均与Pdk4表达显著相关的CpG位点，被指定为甲基化地标。
j. Hnf1a-DMR、Thra-DMR和Pdk4-DMR在不同细胞系中的甲基化图谱。
k. 用5-氮杂胞苷（48h）处理C2C12细胞可降低CpG甲基化并抑制Pdk4表达。
l. Pdk4-DMR的位点特异性高甲基化增强其转录。
m. 连接肝脏活检（5周龄雌性小鼠）中Hnf1a-DMR甲基化与4周HFD挑战后代谢表型的实验策略示意图。
n-p. F1雌性中Hnf1a-DMR甲基化地标与代谢性状之间的相关性，包括肝糖异生（n）、体重增加（o）和血清总胆固醇（T-CHO）水平（p）。
（6）卵母细胞靶向甲基化编辑在雌性后代中重现代谢功能障碍
图6：卵母细胞中Pdk4-DMR和Hnf1a-DMR的靶向高甲基化诱导雌性后代代谢变化。
a. 卵母细胞和后代生成中的靶向甲基化编辑工作流程。
b. 胚胎移植和后代结局总结。
c. 雌性Pdk4 Hyper小鼠中分析的肝脏（L）和骨骼肌（M）组织示意图。
d. 雌性对照（n=5）和雌性Pdk4 Hyper（n=5）小鼠骨骼肌（左）和肝脏（右）中Pdk4-DMR甲基化的亚硫酸盐测序分析。
e. 雌性对照和Pdk4 Hyper小鼠骨骼肌和肝脏中Pdk4 mRNA的相对水平。
f. 雌性对照和Pdk4 Hyper小鼠骨骼肌（上）和肝脏（下）中PDK4蛋白的western blot。
g. 雌性对照（n=6）和雌性Pdk4 Hyper（n=9）小鼠的腹腔葡萄糖耐量试验（GTT）。
h. 雌性Hnf1a Hyper小鼠中分析的肝脏组织示意图。
i. 雌性对照和Hnf1a Hyper小鼠肝脏中Hnf1a-DMR内单个CpG甲基化水平的BS测序分析。
j. 雌性对照（n=7）和Hnf1a Hyper（n=13）小鼠肝脏中Hnf1a mRNA的相对表达。
k. 雌性对照和Hnf1a Hyper小鼠肝脏中HNF1A蛋白的western blot分析。
l. 雌性对照组（n=6）和Hnf1a Hyper组（n=10）小鼠的腹腔丙酮酸耐量试验（PTT）。
m-n. 雌性ND-F1（n=7）和雌性HFD-F1（n=9）小鼠的腹腔葡萄糖耐量试验。
o-p. 对雌性ND-F1（n=10）和雌性HFD-F1（n=10）小鼠进行腹腔内丙酮酸耐量试验。
（7）肥胖女性卵母细胞中保守的表观遗传特征
图7：肥胖女性卵母细胞中HNFIA和THRA的甲基化状态
a. 消瘦型女性和肥胖型女性中充分生长的卵母细胞EM-seq甲基化分析实验设计示意图。
b、d. 消瘦和肥胖样本卵母细胞中HNFIA-DMR（b）和THRA-DMR（d）的平均甲基化水平。
c、e. 消瘦和肥胖样本卵母细胞中HNFIA-DMR（c）和THRA-DMR（e）内保守CpG位点的甲基化水平。
结论和启示
本研究通过scWGBS等鉴定出的Hnf1α-DMR和Pdk4-DMR两个代谢位点，不仅在肥胖卵母细胞中发生DNA甲基化变化，而且在F1、F2雌性后代中表现出持续的基因表达变化。卵母细胞中的靶向高甲基化可编程后代的代谢功能障碍，所产生的表型与HFD-F1雌性的关键代谢特征平行，包括糖耐量受损和丙酮酸刺激的葡萄糖生成增加。
研究提供了种系甲基化可在特定位点直接编程代际代谢功能障碍的因果证据，并揭示出生后发育阶段甲基化重建、H3K36me2染色质线索及单CpG甲基化地标等关键机制证据。
参考文献：
Han, L., Wu, Y., Li, J. et al. Maternal obesity imprints methylation marks in oocytes to drive intergenerational metabolic dysfunction. Nat Metab (2026). https://doi.org/10.1038/s42255-026-01617-6
标题：Maternal obesity imprints methylation marks in oocytes to drive intergenerational metabolic dysfunction（妊娠母体肥胖会在卵母细胞中留下甲基化标记，以驱动代际代谢功能障碍）
发表时间：2026-10-02
发表期刊：Nature Metabolism
影响因子：IF27.5/Q1
技术平台：scWGBS
作者单位：南京医科大学、常州市妇幼保健院、重庆市妇幼保健院、南京中医药大学等
DOI:10.1038/s42255-026-01617-6
本研究首先系统绘制了肥胖雌性小鼠卵母细胞的全基因组DNA甲基化图谱，发现母体肥胖可在卵母细胞中诱导位点特异性的DNA甲基化变化，其中以Hnf1α、Thra和Pdk4为代表的代谢相关基因表现出持续跨代的甲基化与转录失调。这些甲基化标记在胚胎发育早期被擦除，但H3K36me2富集在这些位点得以保留，在出生后种系与体细胞中又被重新建立，构成一种“表观遗传记忆”，以组织特异性和性别特异性的方式驱动 F1、F2 代（甚至 F3 代）的代谢功能障碍。
研究进一步通过dCas9–Dnmt3a靶向甲基化编辑直接证明卵母细胞中Hnf1α-DMR和Pdk4-DMR高甲基化可编程雌性后代的糖代谢异常，并发现人类肥胖女性卵母细胞中存在保守的 HNF1A/THRA 高甲基化特征。
该研究为“母体肥胖通过种系在特定位点的甲基化记忆影响子代代际代谢健康”提供了直接因果证据，并提示孕前阶段是潜在干预的关键窗口期。
图形摘要：母体肥胖诱导的卵母细胞诱导代际代谢编程机制研究方法
（1）小鼠模型：同基因型B6雌性小鼠分别喂养高脂饮食（HFD）或正常饮食（ND）8周，建立母体肥胖模型（F0），并通过ND雄鼠交配获得F1、F2、F3后代。
（2）scWGBS：每组取15个MII卵母细胞构建卵母细胞全基因组甲基化图谱，全局与位点特异性甲基化分析、差异甲基化区域(DMR)鉴定，筛选候选代谢基因。
（3）甲基化验证：验证卵母细胞及子代组织中 Hnf1α、Thra、Pdk4、Sorl1、Trpv4 等 DMR 甲基化状态。
（4）qRT-PCR转录组检测：收集F1、F2雌性后代脂肪组织、肝脏、骨骼肌、胰岛等多组织，分析候选代谢基因的表达变化。
（5）CpG相关性分析：对关键DMR内的单个CpG位点进行甲基化与基因表达的相关性分析。
（6）染色质分析：CUT&Tag-qPCR检测F0囊胚与PD14 F1雌性肝脏中Hnf1α-DMR、Thra-DMR的H3K27me3和H3K36me2富集，探究甲基化重建的染色质线索。
（7）甲基化编辑及WGBS脱靶分析：将靶向DMR的sgRNA与dCas9-Dnmt3a mRNA共注射入生发泡（GV）卵母细胞，构建Pdk4^Hyper^和Hnf1α^Hyper^小鼠，通过WGBS进行脱靶分析评估编辑特异性。
（8）人类样本验证：对消瘦型（BMI 18-23）和肥胖型（BMI 27-37）女性的GV卵母细胞进行酶学甲基化测序（EM-seq）分析人与小鼠 HNF1A、THRA 直系同源区域的甲基化状态，验证其保守性。
结果图形
（1）肥胖卵母细胞中异常甲基化代谢基因的全基因组鉴定
图1：肥胖小鼠卵母细胞中异常甲基化代谢基因的全基因组鉴定。
- 通过高脂饮食（HFD）喂养诱导母体肥胖，并随后使用单细胞重亚硫酸盐测序（scBS-seq） 对MII卵母细胞进行全基因组甲基化图谱分析实验设计示意图。
- 正常饮食（ND）和HFD雌性小鼠卵母细胞中平均CG甲基化水平的分布小提琴图。
- 940个DMR热图。。
- 与DMR相关的776个基因（上），基因-DMR相关性（下）。
- 51个DMR相关代谢基因（上），突出显示已知调节外周组织代谢代表性示例（下）。
（2）肥胖后代中代谢基因失调的持续跨代
图 2：母体肥胖诱导代谢基因表达跨两代持续性失调。a. 正常饮食（ND）或高脂饮食（HFD）的雌性小鼠获得 F1 和 F2后代的交配策略。
b. 所分析的代谢组织，以及以及F1和F2雌性小鼠后代中用于mRNA表达分析的基因数量。
c. 候选代谢基因在F1和F2雌性小鼠各组织中的表达模式。
d-f. 在雌性小鼠跨两代中呈现一致且持续表达变化的代表性基因：白色脂肪组织（WAT）中的Sorl1和Trpv4（d）、肝脏中的Hnf1α和Thra（e），以及骨骼肌中的Pdk4（f）。
（3）关键位点卵母细胞甲基化变化的代际遗传
图3：关键代谢位点DNA甲基化变化的持续跨代a. F1和F2雌性的MII卵母细胞及雌性后代代谢组织DNA甲基化分析实验设计示意图。
b. Hnf1α、Thra、Pdk4、Sorl1和Trpv4代谢基因在卵母细胞和两代雌性组织中的DNA甲基化变化。
c. Hnf1α的基因组结构，DMR以红色突出显示。
d-e. Hnf1α-DMR在F1和F2卵母细胞（d）及肝脏组织（e）中的DNA甲基化状态。
f. Thra的基因组结构。
g-h，Thra-DMR在F1和F2卵母细胞（g）及肝脏组织（h）中的DNA甲基化状态。
i. Pdk4位点示意图，红色显示DMR位置。
j-k. Pdk4-DMR在F1和F2卵母细胞（j）及骨骼肌（k）中的甲基化状态。
（4）肥胖诱导甲基化标记在出生后重编程
图4：肥胖卵母细胞来源的超甲基化DMR的动态重编程a. 样本采集示意图，包括F0雌性的MII卵母细胞和囊胚，以及F1雌性后代的PGC（E13.5）、生长中卵母细胞（PD14）、MII卵母细胞和肝脏。
b. Hnf1α-DMR在雌性种系发育过程中的DNA甲基化状态。
c. F1雌性小鼠肝脏中Hnf1α-DMR的DNA甲基化状态。
d. Hnf1α-DMR在种系发育和出生后体细胞重编程过程中的甲基化动态示意图。
e. Thra-DMR在种系发育和出生后体细胞重编程过程中的甲基化动态示意图。
f. Pdk4-DMR在种系发育过程中的甲基化动态示意图。
g. F0囊胚和PD14 F1雌性肝脏中Hnf1α-DMR和Thra-DMR的候选染色质分析。
h. CUT&Tag-qPCR分析F0囊胚中Hnf1α-DMR和Thra-DMR的H3K27me3和H3K36me2富集。
i. CUT&Tag-qPCR分析PD14 F1雌性肝脏中Hnf1α-DMR和Thra-DMR的H3K27me3和H3K36me2富集。
（5）作为基因表达调控因子的CpG甲基化标记
图5：代谢位点的甲基化标记调控基因表达a-b. ND和HFD组F1（n=16）（a）和F2（n=16）（b）雌性肝脏中Hnf1a-DMR内单个CpG甲基化与Hnf1a表达之间的相关性。
c. 两代中均与Hnf1a表达显著相关的CpG位点，指定为甲基化地标。
d-e. ND和HFD组F1（n=14）（d）和F2（n=12）（e）雌性肝脏中Thra-DMR内单个CpG位点与Thra表达之间的相关性。
f. 在两代中均与Thra表达显著相关的CpG位点，指定为甲基化地标。
g-h. ND和HFD组F1（n=16）（g）和F2（n=16）（h）雌性骨骼肌中Pdk4-DMR内单个CpG甲基化与Pdk4表达之间的相关性。
i. 在两代中均与Pdk4表达显著相关的CpG位点，被指定为甲基化地标。
j. Hnf1a-DMR、Thra-DMR和Pdk4-DMR在不同细胞系中的甲基化图谱。
k. 用5-氮杂胞苷（48h）处理C2C12细胞可降低CpG甲基化并抑制Pdk4表达。
l. Pdk4-DMR的位点特异性高甲基化增强其转录。
m. 连接肝脏活检（5周龄雌性小鼠）中Hnf1a-DMR甲基化与4周HFD挑战后代谢表型的实验策略示意图。
n-p. F1雌性中Hnf1a-DMR甲基化地标与代谢性状之间的相关性，包括肝糖异生（n）、体重增加（o）和血清总胆固醇（T-CHO）水平（p）。
（6）卵母细胞靶向甲基化编辑在雌性后代中重现代谢功能障碍
图6：卵母细胞中Pdk4-DMR和Hnf1a-DMR的靶向高甲基化诱导雌性后代代谢变化。a. 卵母细胞和后代生成中的靶向甲基化编辑工作流程。
b. 胚胎移植和后代结局总结。
c. 雌性Pdk4 Hyper小鼠中分析的肝脏（L）和骨骼肌（M）组织示意图。
d. 雌性对照（n=5）和雌性Pdk4 Hyper（n=5）小鼠骨骼肌（左）和肝脏（右）中Pdk4-DMR甲基化的亚硫酸盐测序分析。
e. 雌性对照和Pdk4 Hyper小鼠骨骼肌和肝脏中Pdk4 mRNA的相对水平。
f. 雌性对照和Pdk4 Hyper小鼠骨骼肌（上）和肝脏（下）中PDK4蛋白的western blot。
g. 雌性对照（n=6）和雌性Pdk4 Hyper（n=9）小鼠的腹腔葡萄糖耐量试验（GTT）。
h. 雌性Hnf1a Hyper小鼠中分析的肝脏组织示意图。
i. 雌性对照和Hnf1a Hyper小鼠肝脏中Hnf1a-DMR内单个CpG甲基化水平的BS测序分析。
j. 雌性对照（n=7）和Hnf1a Hyper（n=13）小鼠肝脏中Hnf1a mRNA的相对表达。
k. 雌性对照和Hnf1a Hyper小鼠肝脏中HNF1A蛋白的western blot分析。
l. 雌性对照组（n=6）和Hnf1a Hyper组（n=10）小鼠的腹腔丙酮酸耐量试验（PTT）。
m-n. 雌性ND-F1（n=7）和雌性HFD-F1（n=9）小鼠的腹腔葡萄糖耐量试验。
o-p. 对雌性ND-F1（n=10）和雌性HFD-F1（n=10）小鼠进行腹腔内丙酮酸耐量试验。
（7）肥胖女性卵母细胞中保守的表观遗传特征
图7：肥胖女性卵母细胞中HNFIA和THRA的甲基化状态a. 消瘦型女性和肥胖型女性中充分生长的卵母细胞EM-seq甲基化分析实验设计示意图。
b、d. 消瘦和肥胖样本卵母细胞中HNFIA-DMR（b）和THRA-DMR（d）的平均甲基化水平。
c、e. 消瘦和肥胖样本卵母细胞中HNFIA-DMR（c）和THRA-DMR（e）内保守CpG位点的甲基化水平。
结论和启示
本研究通过scWGBS等鉴定出的Hnf1α-DMR和Pdk4-DMR两个代谢位点，不仅在肥胖卵母细胞中发生DNA甲基化变化，而且在F1、F2雌性后代中表现出持续的基因表达变化。卵母细胞中的靶向高甲基化可编程后代的代谢功能障碍，所产生的表型与HFD-F1雌性的关键代谢特征平行，包括糖耐量受损和丙酮酸刺激的葡萄糖生成增加。
研究提供了种系甲基化可在特定位点直接编程代际代谢功能障碍的因果证据，并揭示出生后发育阶段甲基化重建、H3K36me2染色质线索及单CpG甲基化地标等关键机制证据。
参考文献：
Han, L., Wu, Y., Li, J. et al. Maternal obesity imprints methylation marks in oocytes to drive intergenerational metabolic dysfunction. Nat Metab (2026). https://doi.org/10.1038/s42255-026-01617-6
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