陆军军医大学团队DNA甲基化多组学揭示父代暴露的表观遗传机制

支气管肺发育不良（bronchoplular dysplasia，BPD）是早产儿和成人慢性肺疾病的主要病因，但其病因尚不完全清楚。2026年7月29日，陆军军医大学/浙江大学/南昌大学第二附属医院梁月辉博士、陆军军医大学刘康乐博士为共同第一作者，陆军军医大学刘晋祎教授和曹佳教授、重庆医科大学韩飞教授、武汉大学赵立娜教授为共同通讯作者，在《Redox Biology》(IF16.2/Q1)期刊发表题为“Paternal exposure to polystyrene nanoplastics induces inter- and transgenerational bronchopulmonary dysplasia-like damage in male offspring by FtMt hypermethylation-mediated ferroptosis”的高水平科研成果，揭示父代环境污染物聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs）暴露通过Dnmt3a-FtMt高甲基化在代际和跨代轴引起子代BPD，为理解父源性慢性肺病及早期干预潜在靶点提供了表观遗传学基础。易基因DNA甲基化多组学测序分析（WGBS+RRBS+RNA-seq）助力揭示父代PS-NPs暴露的表观遗传代际和跨代传递机制。

（DOI:10.1016/J.Redox.2026.104331）

标题：Paternal exposure to polystyrene nanoplastics induces inter- and transgenerational bronchopulmonary dysplasia-like damage in male offspring by FtMt hypermethylation-mediated ferroptosis（父亲暴露于聚苯乙烯纳米塑料通过FtMt高甲基化介导铁死亡诱导雄性子代发生代际和跨代支气管肺发育不良）

发表时间：2026-07-29

发表期刊：Redox Biology

影响因子：IF16.2/Q1

技术平台：WGBS、RRBS、RNA-seq、scRNA-seq等

本研究建立父代PS-NPs暴露F0代小鼠模型，并繁育获得F1-F3代小鼠。以子代肺组织为样本，结合全基因组甲基化测序（WGBS）、简化基因组亚硫酸盐测序（RRBS）、单细胞转录组测序及常规转录组测序等多组学技术，检测肺组织中铁离子（Fe2+）、脂质过氧化产物和关键基因表达水平，揭示父代环境相关剂量PS-NPs暴露介导子代（F1和F2）表现出BPD样表型。同时F0雄性精子活力下降，表明父代PS-NPs暴露是子代BPD的致病因子。

机制研究表明，PS-NPs暴露上调DNA甲基转移酶Dnmt3a的表达，诱导精子基因组整体甲基化。同时线粒体铁蛋白（FtMt）基因启动子区域发生高甲基化，并部分抵抗胚胎发育早期的表观遗传重编程，该信号传递至子代肺部，介导F1和F2代肺部FtMt持续低表达。FtMt表达降低会导致细胞内Fe2+水平升高，随后介导肺泡上皮细胞铁死亡，最终导致肺泡化，表现出典型的BPD样损伤。最后研究还通过体外受精-胚胎移植（IVF-ET）实验排除了父代精浆和母体环境因素干扰，证实精子源性FtMt甲基化变化是致病的关键因子，并进一步鉴定出Dnmt3a是介导FtMt高甲基化的关键调控因子。本研究揭示了父代PS-NPs暴露通过“Dnmt3a-FtMt高甲基化”轴引起跨代慢性肺病的表观遗传学基础。

图形摘要：通过Dnmt3a表观遗传调控FtMt以诱导子代BPD样损伤中铁死亡机制

结果图形

（1）父代PS-NPs暴露导致成年雄性子代肺损伤

图1：父代PS-NPs暴露导致成年雄性子代肺损伤。

• 小鼠模型构建示意图。

• 成年F1-F3雌性子代的肺/体重比（mg/g），每组n=10。

• 成年F1-F3雄性子代的肺/体重比（mg/g），每组n=22。

• 成年F1-F3雄性子代体重，每组n=22。

• 成年F1-F3雄性子代肺重，每组n=22。

• 成年F1-F3雄性小鼠肺组织学的代表性显微图像。

• 成年F0代小鼠附睾中PS-NPs（红色）和DAPI（蓝色）免疫检测代表性显微图像。

• 左：F0代雄性小鼠的精子活力；右：F0代雄性小鼠的精子前向运动率。每组n=7。

（2）WGBS+RNA-seq揭示父代PS-NPs暴露导致子代DNA甲基化模式变化并促进铁死亡

图2：父代PS-NPs暴露介导的DNA甲基化和转录组变化

• 对照雄性小鼠与父代PS-NPs暴露雄性小鼠肺组织中CG胞嘧啶甲基化水平比较。

• F1代雄性小鼠肺DNA中基因体、转录起始位点上游2kb区域及转录终止位点下游2kb区域的DNA甲基化率。

• F2代雄性小鼠肺DNA中对应区域的DNA甲基化率。

• F1代雄性小鼠肺组织启动子区高甲基化差异甲基化区域（DMRs）相关基因的KEGG通路富集分析。

• F2代雄性小鼠肺组织启动子区高甲基化DMRs相关基因的KEGG通路富集分析。

• F1和F2代肺组织中DMRs的定位与分布示意图。

• F1和F2代雄性子代小鼠肺组织铁死亡通路的GSVA评分。

• 雄性子代小鼠肺组织中铁死亡通路的基因集富集分析（GSEA）。

（3）父代PS-NPs暴露后，子代肺泡上皮细胞对铁死亡易感

图3.父代PS-NPs暴露后，肺泡上皮细胞对铁死亡易感。

• 对照雄性小鼠及父代PS-NPs暴露的F1和F2代雄性小鼠肺组织的Fe2+水平定量分析。

• 对照及父代PS-NPs暴露的F1-F2代雄性小鼠肺组织的TNF-α分泌量定量分析。

• 对照及父代PS-NPs暴露的F1-F2代雄性小鼠血清的IL-6水平定量分析。

• 对照及父代PS-NPs暴露的F1-F2代雄性小鼠肺组织Gpx4和Acsl4的免疫组化。

• 对照及父代PS-NPs暴露的F1-F2代雄性小鼠肺组织Gpx4和Acsl4的WB分析。

• 对照及父代PS-NPs暴露的F1-F2代雄性小鼠肺组织Gpx4蛋白表达水平分析。

• 对照及父代PS-NPs暴露的F1-F2代雄性小鼠肺组织Acsl4蛋白表达水平分析。

• 单细胞数据库分析Gpx4、Acsl4和Tfrc在不同肺细胞中的相对表达水平。

• 单细胞分析中上皮细胞亚群标志物的表达和比例。

• 对照及父代PS-NPs暴露的雄性子代肺组织中Spc和Ki67的免疫荧光染色分析。

• 对照及父代PS-NPs暴露的雄性子代肺组织中Spc相对荧光强度分析。

• 对照及父代PS-NPs暴露的雄性子代肺组织中Ki67相对荧光强度分析。

（4）父代PS-NPs暴露诱导子代肺泡上皮细胞发生BPD样损伤和铁死亡

图4.父代PS-NPs暴露诱导肺泡上皮细胞发生BPD样损伤和铁死亡

• 不同细胞类型的铁死亡评分。

• 细胞聚类可视化，并通过检测已知标志基因的表达进行细胞类型注释。

• 两组间上皮细胞比例比较。

• scRNA-seq测序数据中上皮细胞差异表达基因的KEGG富集分析。

• 对照与父代PS-NPs暴露后F1-F2代雄性小鼠肺组织中AT1/AT2细胞的免疫荧光染色。

• AT2/总细胞比例。

• AT1/总细胞比例。

• AT1/AT2比例。

• 对照与父代PS-NPs暴露雄性子代肺组织中Gpx4与AT2细胞的免疫荧光染色。

• Gpx4相对荧光强度定量。

• 对照与父代PS-NPs暴露雄性子代肺组织中铁蛋白自噬的免疫荧光染色。

• Ncoa4相对荧光强度定量。

• Fth1相对荧光强度定量。

• 对照与父代PS-NPs暴露肺组织的代表性透射电镜（TEM）图像。

（5）多组学分析揭示FtMt高甲基化是子代铁死亡的潜在机制

图5：多组学整合分析揭示FtMt高甲基化是铁死亡的潜在机制。

A-B. F1代(A)和F2代(B)肺组织中铁离子螯合相关GO富集的GSEA分析

C-D. 比较F1代(C)和F2代(D)雄性小鼠肺组织18号染色体上差异甲基化基因的Circos图。

E. 对照组和父代PS-NPs暴露的F1-F2代雄性小鼠肺组织中FtMt相对mRNA表达水平。

F. 对照组和父代PS-NPs暴露的F1-F2代雄性小鼠肺组织中FtMt蛋白的WB分析。

G. 实验组肺组织中FtMt蛋白水平的相对定量。

H. F0代雄性小鼠精子中18号染色体上差异甲基化基因的Circos图比较分析。

• 对F0代小鼠精子中与DMR相关基因的KEGG富集分析。

J. F0代小鼠精子DNA在基因体、转录起始位点上游2kb和转录终止位点下游2kb区域的DNA甲基化率。

K. F0代精子中FtMt启动子区域内不同位点甲基化率比较分析。

L. F1代精子中FtMt启动子区域CpG岛的甲基化率。

M. 对照组和父代PS-NPs暴露的F0-F1代雄性小鼠睾丸中FtMt相对mRNA表达水平。

（6）体外受精和胚胎移植(IVF-ET)实验证实，父代精子源性FtMt启动子甲基化变化导致子代BPD样损伤

图6：IVF-ET实验证实FtMt启动子甲基化变化归因于父代精子并导致BPD样损伤

• IVF-ET实验设计流程示意图（对照组vs暴露组）。

• IVF-ET获得的F1代小鼠肺组织代表性H&E染色图像。

• IVF-ET获得的子代肺组织AT2细胞和铁死亡标志物免疫荧光染色。

• IVF-ET获得的子代肺组织AT1和AT2细胞的代表性免疫荧光染色。

• AT1/总细胞比例和AT2/总细胞比例定量分析。

• 相对荧光强度和共定位分析结果图。

• IVF-ET获得的子代肺组织中MDA水平定量分析。

• IVF-ET获得的子代肺组织中Fe2+水平定量分析。

• IVF-ET获得的子代肺组织中FtMt启动子区CpG岛的甲基化率比较。

• IVF-ET获得的子代肺组织中FtMt的蛋白表达水平。

• 对照组与父代PS-NPs暴露组比较条形图。

（7）Dnmt3a是介导FtMt高甲基化的关键调控因子

图7：Dnmt3a是导致FtMt高甲基化的关键机制。

• 对照组和父代PS-NPs暴露F1-F2代雄性小鼠肺组织中Dnmt3a的相对mRNA表达水平。

• 对照组和父代PS-NPs暴露雄性小鼠F0代睾丸和F1代肺组织Dnmt3a蛋白印迹分析。

• F0代睾丸和F1代肺组织中Dnmt3a蛋白表达水平定量比较。

• 体外受精（IVF）实验设计流程示意图。

• 囊胚精子DNA中基因体、转录起始位点上游2kb和转录终止位点下游2kb区域的DNA甲基化率。

• 囊胚启动子DMRs相关基因的生物学过程（BP）富集分析。

• 通过IVF-ET获得的子代肺组织中FtMt启动子DMR的甲基化率比较。

• 细胞转染示意图。

• 阴性对照组和过表达组中Dnmt3a的相对mRNA表达水平。

• MLE-12细胞中Dnmt3a和FtMt的代表性蛋白印迹分析。

• MLE-12细胞中FtMt启动子区域CpG岛的甲基化率。

（8）敲低FtMt可在体内诱导铁死亡和BPD样损伤

图8：FtMt基因敲低可在体内诱导铁死亡和BPD样损伤

• 体内FtMt敲低实验示意图。

• FtMt表达WB实验。

• 肺组织的代表性病理学图像。

• 肺组织中Acsl4和Gpx4的代表性免疫组织化学染色。

• 对照组和FtMt敲低雄性小鼠肺组织中AT1和AT2细胞的代表性免疫荧光染色图像。

• Gpx4和Acsl4表达的代表性WB实验。

• MDA含量定量分析。

• Fe2+含量定量分析。

结论和启示

本研究通过WGBS、RRBS、RNA-seq等DNA甲基化多组学整合分析及验证实验，揭示了父代PS-NPs暴露可通过精子中Dnmt3a介导的FtMt基因启动子高甲基化，诱导其在后代肺部持续低表达，从而引发肺泡上皮细胞铁死亡，最终在雄性子代中诱导出代际传递（F1和F2代）的BPD样肺损伤。

参考文献：

Liang Y, Liu K, Wang X, Lu C, Cheng Y, Yang Y, Wen Y, Jiang X, Zhang W, Zhao L, Cao J, Han F, Liu J. Paternal exposure to polystyrene nanoplastics induces inter- and transgenerational bronchopulmonary dysplasia-like damage in male offspring by FtMt hypermethylation-mediated ferroptosis. Redox Biol. 2026 Jul 29;96:104331.doi: 10.1016/j.redox.2026.104331.