父親的壓力和習慣，早已傳遞給了我們？

傳統觀念認為，精子只是帶著DNA、長著尾巴的運輸工具，其唯一任務是把父親的基因傳遞給母親的卵子，實現有性繁殖。而胚胎發育過程中涉及的其他一切——包括細胞構成和環境因素——都與父親無關，完全來自母親。

但近二十年來，多家獨立實驗室的研究正在逐步推翻這一說法。研究發現，精子傳遞的不僅是DNA：在精子微小的頭部，還藏有一些分子，它們隨精子進入卵子，并傳遞有關父親健康狀況的信息，例如飲食習慣、運動水平和壓力承受情況。這些非DNA成分可能會影響受精時及其后的基因活性，從而對胚胎的發育過程產生影響，甚至會影響孩子長大后的生理狀態。

目前這些研究主要基于小鼠模型，但其潛在影響可能改變我們對遺傳的基本認識。美國猶他大學醫學院的生殖與發育生物學家陳琦（Qi Chen）是這一研究領域的先驅之一，他表示：“這些研究提示我們，這一生我們所做的事情，會影響下一代。”換句話說，一個人在受孕前幾周或幾個月的飲食、攝入物、壓力來源和其他經歷，可能會以分子的形式被記錄下來，裝入精子中，最終傳遞給下一代。研究者們的重點放在RNA分子上，這些是DNA的短期“拷貝”，能反映當時的基因活躍情況。

這個觀點令人著迷。不過，機制上的細節仍很模糊，包括：這些經歷是如何被“編碼”的，信息如何從精子傳遞給卵子，以及它是否真的會影響胚胎發育。這些問題的解答并不容易，尤其是在人體研究受限的背景下。因此，盡管這些發現可能具有顛覆性的意義，許多研究人員，包括該領域的核心科學家，在公開解釋時依然保持謹慎。

“目前仍有很多地方說不清楚，”賓夕法尼亞大學佩雷爾曼醫學院及費城兒童醫院的表觀遺傳學家柯林·科奈恩（Colin Conine）說。他一直在研究精子RNA如何傳遞非基因的信息。他指出，有一些內容已經比較明確：已有大量證據表明，環境因素可以調節精子中的RNA，這些分子能把性狀傳給后代，也能在受精后調控胚胎發育。“但RNA到底是如何做到這些的，我們幾乎還不清楚，這就是目前最模糊的部分。”他說。

盡管如此，相關證據仍在不斷積累。最近在2025年11月，一項發表在《細胞-代謝學》（Cell Metabolism）的綜合研究追蹤了雄性小鼠運動訓練對精子中microRNA的分子影響。這些microRNA的靶向基因與胚胎線粒體功能和代謝調節密切相關。研究者還發現，這類過度表達的microRNA在經常鍛煉的男性精子中也大量存在。

“這項研究表明，父親的運動能夠為后代帶來益處，比如更強的耐力和更健康的代謝狀態。” 陳琦評論道（他未參與該研究）， “這再次說明，許多通過精子介導的表觀遺傳效應具有很強的適應性。”

這種過去從未被記錄的遺傳途徑，可能正在發揮重要作用，不容忽視。因此，研究人員正進一步深入實驗室，試圖厘清一整套分子機制，解釋父親當下的經歷，如何被轉化為發育“指令”，傳遞到母親的卵子中。

表觀遺傳的路徑

在大多數動物中，精子細胞相比卵子要小得多。以人類為例，一個卵細胞的體積大約是一個精子的1000萬倍。卵子為受精卵（即尚未開始分裂的新生胚胎）提供了幾乎所有的細胞成分——包括營養物質、細胞質、線粒體和其他細胞器、合成蛋白質所需的分子機器等等。此外，母親還提供了胚胎乃至胎兒整個發育過程所依賴的體內環境。因此，母親健康狀況對孩子的影響，早已被廣泛關注，包括在分子層面的研究。但在過去大約15年中，關于父親經歷可以通過非DNA方式被繼承的證據也在不斷增強。

“已經有很多實驗室做了飲食和壓力方面的研究，后代常見的反應通常表現為代謝或行為上的變化。”科奈恩說。比如給雄性小鼠喂食高脂或低蛋白飲食，或者在幼年時期將它們與母鼠分離，它們的后代就會出現與這些環境條件相關的性狀，比如線粒體功能的變化。這些變化未必都是負面的。例如，暴露于尼古丁環境的小鼠父親會生出雄性幼崽，這些幼崽的肝臟不僅更善于分解尼古丁，還能更有效地代謝可卡因等其他毒素。

這其中有一定的生存邏輯。馬薩諸塞大學陳醫學院的表觀遺傳學家奧利弗·蘭多（Oliver Rando）領導了尼古丁相關研究，他表示，生物會趨向于讓后代適應與父母類似的環境。因此，從生物學角度來看，如果能讓后代預先“準備好”適應這些環境，確實有助于提高其生存能力。

“你可以把這看作是一種‘告訴孩子一些對他們有用的信息’的方式，好讓他們更好地應對他們所繼承的世界。”身為兩個男孩父親的蘭多這樣說。

不過，邏輯合理并不意味著這一定是真的。這也是為什么陳琦、蘭多、科奈恩以及其他研究人員正在努力尋找父系表觀遺傳繼承中的機制成分，試圖把它們納入我們對母系機制已有的認知體系中。所謂“表觀遺傳”，指的是不改變DNA序列的遺傳方式，其核心在于基因在何時、以何種程度被激活、轉錄，并最終形成功能性蛋白質。表觀遺傳學家關注的是圍繞基因組和染色體結構展開的分子生物學機制，這些機制可以響應內部或外部信號，開啟或關閉特定基因的表達。

這種“差異性基因表達”是生物學中的核心奇跡之一。比如，人類所有細胞的DNA都是一樣的，但大腦細胞卻與肝臟、皮膚、血液細胞截然不同。這些差異部分來自DNA中已有的“程序”，也有一部分源自環境因素，例如長期缺乏熱量或營養、因壓力（比如缺乏父母照料）導致皮質醇水平升高等。這些條件會改變體內代謝物和其他分子的分布，從而影響細胞內能進行哪些反應和基因表達過程。

在表觀遺傳過程中，一些分子如甲基（methyl group）或乙酰基（acetyl group）能直接與DNA結合，或附著在DNA上的蛋白質上。這些作用會讓基因組的某些區域“松開”或“鎖緊”，類似于為特定基因開門或關門。

RNA分子——這種比DNA更靈活、壽命更短的分子——同樣能參與調控基因表達。但由于RNA通常存活時間極短，可能只有幾分鐘或幾小時，很長時間以來它們未被視為重要的表觀遺傳調節因子。自1990年代以來，RNA在調控中的作用逐漸被明確，包括一些RNA的壽命遠超預期，可以存活數周甚至更久。其中一類叫“長鏈非編碼RNA”（lncRNA）的分子可以通過改變DNA或其結合蛋白的狀態來調節基因表達；而“microRNA”則能抑制其他RNA，尤其是那些本可以轉譯為蛋白質的RNA。這一發現獲得了2024年諾貝爾生理學或醫學獎的肯定。

那么，精子是否可以攜帶RNA或其他分子，進入卵子后參與胚胎中的表觀遺傳過程呢？一些研究人員認為這是可能的，但要將這些機制拼湊成完整的因果鏈，仍需要大量實驗工作。

RNA的“打包運輸”

要確認精子細胞確實傳遞了表觀遺傳信息，生物學家必須回答三個核心問題：第一，父親的身體是如何將其經歷——比如壓力、飲食、運動或吸煙習慣——以分子的形式“編碼”出來，例如在血液中循環的RNA，這些RNA能反映組織中的基因表達狀態；第二，這些分子信號又是如何進入精子細胞的；第三，這些精子中的信號如何在受精過程中及之后發揮表觀遺傳作用，從而在后代中形成可觀察到的性狀（即“表型”）。

從2012年開始，陳琦陸續開展了一系列研究，開始解答上述三大問題。在他看來，這是自己科研生涯中最具偶然性的發現之一。當時，他在中科院的團隊使用測序技術分析小鼠精子中的短RNA分子種類。

他們驚訝地發現，隨著精子的成熟，有一類RNA的濃度急劇上升，并最終與DNA一同“擠進”了精子頭部。他們進一步發現，從魚類到人類等多種脊椎動物的血清中，都富含這類RNA。這些結果提示，攜帶信息的分子可能被轉運進了生殖細胞中。

研究在2015年陳琦進入美國學術界后變得更加深入。他和團隊收集了不同飲食條件下雄性小鼠精子的RNA，發現高脂飲食組與正常飲食組的RNA組成存在顯著差異。更進一步，當研究人員將這些“高脂組”精子RNA注射進早期胚胎中，所生雄性后代出現了與高脂飲食相關的代謝異常。

這些實驗讓陳琦開始思考一個過去被認為“離經叛道”的可能性：也許，“某些父親在環境中獲得的性狀可以被精子‘記住’，并傳遞給下一代”。2019年，在闡明一種調控精子RNA的路徑后，他將這類遺傳方式稱為“精子RNA密碼”（sperm RNA code），認為它“可以為后代的代謝健康進行程序化設定”。

而被這一概念吸引的不止他一人。2018年，奧利弗·蘭多（Oliver Rando）團隊在《發育細胞》（Developmental Cell）上發表論文，使用生化技術研究RNA是如何、在何時被裝入精子中的，以及在這一過程中RNA可能發生的變化。他們試圖解答這樣一個問題：“到底是哪一個組織決定了精子該傳遞哪些信息給孩子？”蘭多指出，一個合理的起點是附睪。這個連接在睪丸背后的管狀器官，是精子在受精前最后一站，在大多數哺乳動物中，精子在附睪中經歷為期一到兩周的成熟過程。

蘭多的數據顯示，精子獲得幾乎所有小RNA都是在附睪中發生的。通過追蹤特定RNA分子的技術，研究人員觀察到這些RNA被“打包”進類似病毒大小的囊泡中，這些囊泡被稱為附睪體（epididymosomes），它們將RNA轉運進精子。

“這說明，小RNA是可以在體內非生殖細胞（如附睪細胞）和生殖細胞之間轉運的。”蘭多說，“附睪已逐漸成為研究父系效應的關鍵部位，毫無疑問，它必須被視為感知外界環境的重要‘傳感器’。”

分子級的“世界快照”

蘭多所說的“傳感器”，正是指父系效應機制的第一步——當雄性個體經歷某種生理狀態（如高脂飲食、劇烈運動或毒素暴露）時，身體會將這些經歷“翻譯”成分子信號。而附睪則是第二步的“轉運站”，把這些信號打包好，為下一代做準備。

在這一領域，伊莎貝爾·曼蘇伊（Isabelle Mansuy）的研究也提供了重要線索。她在蘇黎世大學及瑞士聯邦理工學院，研究哺乳動物表觀遺傳遺傳的分子和細胞機制。

其中一個研究方向是：創傷性壓力如何通過血液中的細胞外囊泡（extracellular vesicles，EVs）將其分子影響傳遞至后代。幾乎所有類型的細胞，包括附睪細胞，都會釋放出細胞外囊泡（附睪體其實也是一種細胞外囊泡）。這些囊泡攜帶多種分子“貨物”，如RNA、蛋白質、脂類和代謝物。由于細胞外囊泡可以在全身血液中循環，并穿越細胞膜，它們可能是將信息從身體其他組織傳遞給生殖細胞的一種方式。尤其重要的是，RNA在細胞外囊泡中存活時間更長，更穩定。

曼蘇伊通過讓小鼠經歷如被束縛、與母鼠分離等早期創傷，制造出“壓力模型”，隨后檢測生殖細胞中是否出現了可導致類似創傷結果的分子變化，是否能影響后代甚至“隔代”的表現。

她的研究顯示，創傷性壓力會改變雄性小鼠及其后代的代謝通路，尤其是脂類代謝。而且，她還在童年時期承受過高度壓力的人類身上，發現了類似的代謝特征。在小鼠中，這種代謝改變在多達五代中仍然可見——這是罕見的、由實驗數據支持的跨代表觀遺傳效應。

2025年3月，曼蘇伊和同事在biorxiv.org發布的一篇預印本中報告，細胞外囊泡可將與早期壓力有關的RNA、代謝物和脂類從血液轉運至精子，并影響后代。由這些精子產生的后代，在成年后表現出與壓力相關的代謝功能障礙，而且它們自身的精子RNA中也帶有應激“印記”。“這些變化提示，精子RNA的修飾與后代的表型特征之間存在機制性的聯系。”曼蘇伊團隊在尚未進行同行評審的論文中寫道。

表型的“翻譯”

或許最難理解的一步，是精子中所攜帶的分子究竟如何影響后代成年后的可觀察性狀。在某類實驗中，研究人員會從處于壓力環境或健康狀態改變的小鼠身上提取精子RNA，再將這些RNA注射進受精卵中。結果是，這些實驗所產生的幼崽通常“呈現出父親的表型特征”，科奈恩說，這意味著RNA本身就足以將父親的某些性狀傳遞給后代。

那么，這一切究竟是如何發生的？在早期胚胎發育階段，表觀遺傳過程占據主導地位。當一個受精細胞分裂為兩個，再分裂為四個、八個……整個過程中，DNA的表達指令會不斷被重新編程。隨著細胞的分化和身體的逐漸成型，早期基因調控上的微小改變，可能會對成年個體產生深遠影響。

2024年，科奈恩實驗室的一項研究表明，小鼠精子中的microRNA能夠改變胚胎的基因表達。這類實驗進一步支持了這樣一個觀點：后代能夠通過非DNA分子的“偷渡”繼承父親的性狀。

最近發表在《細胞-代謝學》上的那篇論文將這個想法推進了一步。由20多位中國科學家組成的研究團隊，追蹤了一條具體機制，揭示了鍛煉如何通過表觀遺傳方式傳遞益處。他們聚焦于一組能在早期胚胎中重編程基因表達的microRNA，發現這些RNA最終引發了成年后代骨骼肌的適應性變化，提高了其運動耐力。研究人員發現，與久坐不動的老鼠相比，經常鍛煉的小鼠精子中含有更多這類microRNA。當這些RNA被注入受精卵后，所發育出的成年小鼠體能更佳，骨骼肌中的線粒體數量更多，耐力也更強。

那么，這些分子是如何產生出“運動型”表型的？實驗顯示，這些microRNA抑制了某種蛋白質，從而激活了一系列與線粒體功能和代謝相關的基因。

更有意思的是，在受過訓練的男性身上，也檢測到了許多相同的microRNA，其精子中含量高于未受訓練的男性。“這種跨物種的一致性表明，這些精子中的microRNA可能在人體的跨代運動適應中發揮著作用。”研究人員在論文中寫道。

父系遺傳的“初稿”

父親的親身經歷可以被身體記錄、傳送至精子中，并最終傳遞給后代的想法，已經不再顯得那么離奇。盡管仍存在許多未知，越來越多的該領域研究者愿意提出他們對這一機制的猜想。

“我們的假設是：附睪能夠‘感知’外部世界，并據此改變所產生的小RNA。”蘭多說，“這些RNA隨后在受精時進入受精卵，控制早期的基因表達和發育，從而塑造后代的健康狀態或疾病風險。”

科奈恩猜測，一旦特定RNA進入卵子，就會觸發一系列發育基因表達上的連鎖反應，進而讓父親的某些性狀在下一代中顯現。令人驚訝的是，這種影響竟能在精子所攜帶的分子總量遠小于卵子的前提下發生，包括RNA的數量也相差懸殊。

不過，父親的經歷和行為究竟是如何通過表觀遺傳方式影響后代，整個圖景還遠未完整。研究者們目前是在通過一個個實驗拼圖，而非在同一實驗體系中逐步驗證每個步驟。曼蘇伊指出，目前仍缺乏關于RNA或其他表觀遺傳因子在受精卵中究竟發揮了什么作用、如何調控發育過程的系統描述。

“我們就像盲人摸象，每個人都在試圖描述同一頭大象的不同部位。”陳琦說，“背后的機制很可能是一個精子RNA密碼與其他因子協同作用的‘交響樂’。”

要在人類中驗證這些發現將非常艱難，但陳琦認為，這是將小鼠研究成果轉化為“具有指導意義的醫學建議”的關鍵。這需要高度控制的實驗，追蹤多代人的飲食、運動、衰老和環境暴露，還需要利用先進工具解析精子中打包的分子——然后再尋找這些分子特征與表型之間是否存在強相關性。

盡管尚有許多不確定性，研究者們仍在謹慎推進，并開始相信自己的實驗結果。如果他們是對的，他們將發現一個生命的新事實。蘭多說，每當他想到自己的兩個兒子時，都會忍不住思考：在他們出生前的自己，有沒有做過什么事，無意間影響了自己體內的RNA，而這些變化可能已經在兒子們身上留下了痕跡。

“我們現在還遠遠不能基于這些研究給出育兒建議。”蘭多說，“但或許，將來我們能做到。”

作者：Ivan Amato

譯者：EY

原文：https://www.quantamagazine.org/how-dads-fitness-may-be-packaged-and-passed-down-in-sperm-rna-20251222/