高齡男性的遺傳學改變研究進展

張晗，范立青，2*

(1.中南大學基礎醫(yī)學院生殖與干細胞工程研究所，長沙 410000；2.中信湘雅生殖與遺傳?？漆t(yī)院，長沙 410000)

高齡男性的遺傳學改變研究進展

張晗1，范立青1，2*

(1.中南大學基礎醫(yī)學院生殖與干細胞工程研究所，長沙 410000；2.中信湘雅生殖與遺傳?？漆t(yī)院，長沙 410000)

伴隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，國內(nèi)外男性生育年齡逐漸推遲。2015年開始實施的二孩政策，使得高齡男性生育顯著增多。雖然借助輔助生殖技術(shù)(ART)可能解決高齡男性的生育問題，但其遺傳安全問題不容忽視。隨著年齡的增長，受時間和環(huán)境的綜合影響，男性生精能力下降的同時，精子發(fā)生過程中出現(xiàn)的遺傳學改變也會增加子代罹患認知神經(jīng)疾病、常染色體顯性疾病、先天性疾病和其他疾病的風險。關(guān)注高齡男性的遺傳學改變，優(yōu)化ART治療方案，防控因高齡男性生殖生育導致的后代健康問題，是生殖醫(yī)學臨床實踐的要求。本文就近20年以來，有關(guān)高齡男性遺傳學改變的研究報道進行綜述，總結(jié)高齡男性的遺傳學改變的證據(jù)，并為防控高齡男性的遺傳風險提出建議。

父親年齡效應； DNA碎片化； DNA突變； 染色體突變； 表觀遺傳學

(JReprodMed2017，26(11)：1114-1117)

隨著計劃生育政策的逐步放開，中國男性生育年齡呈現(xiàn)了升高的趨勢，因此男性對后代健康的影響也越來越受關(guān)注。在我院男科門診中，40歲以上患者從2015年的4 769例增長到2016年的8 235例，分別占男科門診量的19.5%和27%，出現(xiàn)了較大的增幅；50歲以上的患者門診量也有提升。不僅國內(nèi)如此，國外的高齡男性生育子代的數(shù)量也是逐年攀升，在過去的30年，美國30歲以上男性生育后代比例明顯增多，而30歲以下男性生育后代比例已經(jīng)下降，2014年與2013年相比，30歲以下生育男性下降12%，30～34、35～39、40～44歲生育男性均上升2%～3%，45～49歲生育男性上升高達6%，50～54歲生育男性上升4%[1-2]。

高齡男性生育的子代患病風險的增加源于高齡男性的遺傳學變化。高齡男性精子DNA損傷程度加深，DNA突變率增加，染色體非整倍突變增高，表觀遺傳學也發(fā)生了變異。

高齡男性會使子代產(chǎn)生認知神經(jīng)疾病，例如孤獨癥、雙向性精神障礙、精神分裂癥；常染色體顯性疾病，例如軟骨發(fā)育不全、阿佩爾綜合征、成骨不全、眼癌；先天性疾病，例如無腦兒、大血管錯位、先天性心室間隔缺損、房室間隔缺損、神經(jīng)管缺損；其他的疾病，例如神經(jīng)性失調(diào)、神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤[3]。

一、高齡男性的DNA水平的改變

Evenson[4]證實在高齡男性的精子中，DNA損傷水平比年輕人高。Moskovtsev等[5]用DNA碎片指數(shù)(DFI)作為指標去衡量DNA損傷水平，發(fā)現(xiàn)45歲以上的男性DFI水平是年齡≤30歲男性的DFI水平的2倍，分別是32.0%和15.2%。且男性的DFI水平隨年齡的增加逐年增加，40歲以后DFI水平急速增加，30～35、35～40、40～45歲男性的DFI水平分別是19.4%、20.1%和26.4%。Nakagawa[6]選取了90個研究項目，共93 839個研究對象，用Meta分析進行了一項系統(tǒng)性的回顧研究，發(fā)現(xiàn)DNA損傷與年齡有著緊密的聯(lián)系，并且不育男性與有生育能力的男性DNA碎片化水平有著明顯的區(qū)別，提出了對高齡男性不育的治療應該著眼于精子的前向運動和DNA損傷。EI-Domyati等[7]通過收集22例22～82歲可育男性的雙側(cè)睪丸，分成三組，年輕人組(20～30歲)、中年人組(30～40歲)、老年人組(40歲以上)進行回顧性病例對照研究發(fā)現(xiàn)精子DNA損傷程度與男性的年齡呈正相關(guān)，PARP-1、PAR、XRCC1、APE1的激活可以引起DNA損傷。Aoki等[8-9]對149例不育男性的研究發(fā)現(xiàn)，魚精蛋白氨基化和魚精蛋白濃縮異?？梢詫е戮拥腄NA損傷化。且有研究表明DNA損傷與精子濃度、前向運動力、精子總量顯著相關(guān)[10]，DNA損傷程度高的男性，自然狀態(tài)下致妊娠率低[11]。

高齡男性的生殖細胞DNA的突變數(shù)也會增加。DNA突變是一種永久性的DNA序列的改變，發(fā)生在DNA的復制，也可以發(fā)生在其他細胞過程中。男性生殖細胞處于不停的DNA復制和分化中，40歲的男性生殖細胞DNA的復制周期是40歲的女性生殖細胞的25倍，如此高頻率的復制使高齡男性的DNA突變率遠高于年輕男性[12]。堿基替換是最常見的父源突變，這會造成在有絲分裂的時候DNA聚合酶連接在核苷酸序列上時發(fā)生錯誤[13]。Kong[14]對78對冰島夫婦及其子代的全基因組突變進行測序發(fā)現(xiàn)，平均年齡在29.7歲的男性，平均每代人每個單鏈核苷酸的突變率是1.2×10-8，尤為重要的發(fā)現(xiàn)是父親的年齡在影響核苷酸多態(tài)性(SNP)的多樣性突變率的因素中有支配性的作用，并通過建立指數(shù)模型估計父源突變率每16.5年翻倍一次，每年平均增長兩個新突變。

高齡男性在DNA水平變化明顯，諸多研究為DNA的碎片化在高齡男性中會明顯高于年輕男性提供了證據(jù)，但其變化機制還不能完全明了，而DNA的突變因為男性生殖細胞中DNA的高頻率復制加之活性氧(ROS)對DNA的損傷，隨著男性年齡的增長，則更容易出現(xiàn)基因突變。雖然高齡男性產(chǎn)生的DNA突變同樣也是人類產(chǎn)生突變基因的重要來源之一，這種新生突變可能會對人類的進化有意義，但是更多的是導致新遺傳病的產(chǎn)生[12]。

二、高齡男性染色體水平的改變

與染色體結(jié)構(gòu)變異不同，男性的年齡對非整倍體突變的影響只局限在少數(shù)染色體上(除了性染色體)，例如1、9、21常染色體，而Donate等[15]發(fā)現(xiàn)21和22號常染色體在發(fā)生二體性變化的比例從0.06%上升到0.1%，但是卻沒有統(tǒng)計學意義，性染色體比常染色體更容易發(fā)生非整倍體突變，但卻與年齡沒有關(guān)系。染色體非整倍體突變是染色體數(shù)量的變化，精子的非整倍體突變發(fā)生在精子的減數(shù)分裂時期，染色體沒有均等地分配到子細胞中。大部分的非整倍細胞不會與卵母細胞結(jié)合產(chǎn)生子代，但有1%的非整倍體精子與卵母細胞結(jié)合形成受精卵，最終產(chǎn)生子代[16]，然而絕大部分的子代有先天出生缺陷或者智力發(fā)育遲緩[17]。

染色體的整倍體突變是染色數(shù)量的變化，是由減數(shù)分裂異常引起的，與年齡是否有關(guān)尚存在爭議。Donate等[15]通過收集10個23～74歲健康男性，分成兩組：低齡組(23～37歲)和高齡組(60～74歲)，通過熒光原位雜交技術(shù)(FISH)分析每個男子的15 000個精子細胞，研究表明在年輕人的精子二倍體率是0.27%，而老年人的精子二倍體率是0.2%，但是這種微小的變化沒有統(tǒng)計學意義。也有研究認為整倍體突變與年齡的增長沒有關(guān)系[18]。整倍體突變和年齡是否有關(guān)，研究結(jié)果并沒有統(tǒng)一，可能與個體差異比較大和樣本量少有關(guān)[15，19]。

有關(guān)染色體突變與年齡的關(guān)系的研究尚不完善，特別是與染色體結(jié)構(gòu)變異的研究，十分有限。而有關(guān)染色體整倍體突變是否與年齡相關(guān)現(xiàn)在還存在爭議，染色體的非整倍體突變與年齡的關(guān)系也僅僅局限于少數(shù)常染色體。

三、高齡男性表觀遺傳學水平的改變

Jenkins等[20]收集了23～56歲的供精者，通過焦磷酸測序分析、微矩陣分析和DNA序列分析發(fā)現(xiàn)，在精子DNA中有139個低甲基化的結(jié)構(gòu)域和8個甲基化的結(jié)構(gòu)域，隨年齡增高變化，這些結(jié)構(gòu)域中的基因與精神分裂癥和雙向性精神障礙有關(guān)。Atsem等[21]的研究同樣也發(fā)現(xiàn)隨著男性年齡的增高，甲基化水平降低，這些與年齡相關(guān)的表觀遺傳學信號可以遺傳到下一代，因而認為高齡男性遺傳給下一代的表觀遺傳特性正是后代產(chǎn)生神經(jīng)問題和其他復雜疾病的潛在原因。更有研究表明表觀遺傳學不僅可以遺傳給下一代，還能十分穩(wěn)定地遺傳。隨著年齡的不斷增加，男性與內(nèi)毒素接觸對組蛋白造成影響，這種表觀遺傳學的變化不僅僅可以傳給下一代，甚至可以隔代遺傳[22]。

Zhang等[23]對新生兒、年輕成年男性(25歲)、老年男性(75歲)的附睪的miRNAs進行表達模式分析，在新生兒中表達的251種miRNA中僅有109種在成年男性和125種在老年男性中能被探針檢測到。miRNA或許可以調(diào)控對年齡敏感的基因的表達，但其在附睪中表達種類在不同年齡有所不同。miRNA作為表觀遺傳學改變是精子發(fā)生過程中的參與者[24]，但其隨著男性年齡增長會產(chǎn)生變化，其調(diào)控機制也尚不能明了。

四、高齡男性生育其后代的影響

目前普遍認為父親生育年齡與兒童癌癥及神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生有關(guān)。

Contreras等[25]對5 856例癌癥兒童用條件邏輯回歸模型對兒童癌癥發(fā)病率與男性生育年齡進行分析，得出男性高齡確實與兒童癌癥的發(fā)病率有關(guān)，認為男性高齡是兒童癌癥發(fā)病的危險因素。Wang等[26]對1978～2009年出生的23 419例兒童癌癥和87 593例正常兒通對比研究發(fā)現(xiàn)父親年齡增高會增加兒童癌癥的發(fā)病率。

Janecka等[27]對年齡在12歲的6 234對雙胞胎的研究中通過建立geek index指標，表明高齡父親與自閉癥有著復雜的關(guān)系。Idring等[28]對4 746例瑞典出生的自閉癥譜系障礙的病例建立廣義加法模型，評價自閉癥譜系障礙與父親年齡的關(guān)系，結(jié)果表明兩者之間有著顯著關(guān)系，尤其是伴隨著智力殘疾的自閉癥譜系障礙。

五、結(jié)語

在環(huán)境因素和時間因素共同作用下，高齡男性的精子細胞在DNA水平、染色體水平、表觀遺傳學水平上均有變化，而男性生殖細胞的高速復制頻率也使染色體突變和DNA突變的概率更高。20歲的時候男性的染色體復制了150次，而在50歲的時候大概進行了840次，這大大增加了精原干細胞分化成精子過程中染色體復制錯誤的概率[29]。而DNA的復制頻繁，隨著年齡的增長DNA復制和修復更加容易出錯[30]。由于年齡大在精子發(fā)生過程中受環(huán)境因素影響的時間長，表觀遺傳學方面也發(fā)生了穩(wěn)定的可遺傳的變化。

這些變化都伴隨著高齡男性的生育能力下降，但尚沒有明確評價男性年齡與生育力關(guān)系的體系。而最近的研究都只表明高齡男性仍有生育能力，甚至是90歲的男性仍然可能會有生育能力，而年齡的增長只是生育力下降，沒有能明確量化下降多少。想要更加清楚地了解年齡和男性遺傳學改變的聯(lián)系還需繼續(xù)進行研究。

由于二胎政策剛開不久，未來一段時間內(nèi)高齡男性生育后代的數(shù)量會越來越多，已經(jīng)有許多研究表明男性高齡生育會增加后代患某些疾病的幾率，因此未來應進行如何降低、解決高齡男性的遺傳學改變對子代的不利影響的研究。Jennings等[31]對是否應該因為父親高齡做胚胎植入前遺傳學診斷(PGD，preimplantation genetic diagnosis)進行了研究，并沒有足夠的證據(jù)支持因父親高齡需要做PGD，但仍然對高齡父親提出建議：正常性生活12個月后，女性仍沒有懷孕的必須要做精液常規(guī)檢查，包括精子濃度、精子數(shù)、運動力、前向運動力，如有異常推薦復查一次。

盡管現(xiàn)代輔助生殖技術(shù)已經(jīng)能降低因父親高齡而致子代某些疾病的發(fā)病率，但在適宜年齡及時生育會更好?；蛘邔⒕永鋬觯员汶S年齡增長或其他因素導致精子質(zhì)量不佳時有高質(zhì)量的精子可以用于輔助生殖。

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[編輯：谷炤]

Research progress on genetics changes of elderly men

ZHANGHan1，F(xiàn)ANLi-qing1，2*

1.InstituteofReproductive&StemCellEngineering，SchoolofBasicMedicalScience,CentralSouthUniversity，Changsha410000 2.Reproductive&GeneticHospitalofCITIC-XiangYa，Changsha410000

With the development of social economic，male reproductive age has been gradually delayed at home and abroad.The two-child policy has been implemented since 2015，which leads to a significant increase in birth in older men.Although the problem of elder male fertility can be resolved by ART，genetic safety issues cannot be ignored.With the increasing of age，by the combined influence of time and environment，the spermatogenesis capacity has decreased，and the genetics changes increase the risk of cognitive neurological disease，autosomal dominant disease，congenital disease and other disease in offspring.So clinical practices of reproductive medicine demand to pay attention to the changes of genetics in men，optimize ART therapy regimen，and prevent and control the health problem of offspring due to reproductive problem in older men.This paper reviews the research progress on the elder male genetics change in the past 20 years，and summarizes the evidence of genetics change in elder men，and put forward some suggestions for prevention and control of the genetic risk in elder men.

Paternal age effect； DNA fragmentation； DNA mutation； Chromosome mutation； Epigenetics

10.3969/j.issn.1004-3845.2017.11.013

2017-08-21；

2017-09-14

教育部博士點基金(20120162110058)；國家自然科學基金(34172054)

張晗，男，湖北洪湖人，碩士研究生在讀，遺傳學專業(yè).(*

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