复旦大学马兰院士团队揭示父系孕前二甲双胍暴露诱导子代代谢失调

2026年7月1日，复旦大学潘涛博士、Fan Guangyuan为第一作者，马兰院士、刘星教授、乐秋旻副教授为共同通讯作者，在《Cell Discovery》上发表题为“Paternal preconceptional metformin exposure induces metabolic dysregulation in offspring”的研究，系统揭示父系孕前服用一线降糖药二甲双胍（Metformin）会通过精子DNA甲基化重编程，诱导子代（F1）出现肥胖、糖耐量受损、胰岛素抵抗和血脂异常等多维代谢失调的代际传递机制。

英文标题：Paternal preconceptional metformin exposure induces metabolic dysregulation in offspring

译文标题：父系孕前二甲双胍暴露诱导子代代谢失调

发表时间：2026年7月1日

发表期刊：Cell Discovery

影响因子：IF16.9/Q1

技术平台：RRBS

作者单位：复旦大学

DOI:10.1038/s41421-026-00913-5

研究采用大鼠模型，通过三个独立批次（Batch A、B、C）的实验设计，结合简化基因组亚硫酸盐测序（RRBS）技术，揭示正常饮食条件下，父系二甲双胍暴露会导致子代体重增加、脂肪蓄积、葡萄糖耐量受损、胰岛素抵抗及血脂异常。研究不仅证实这一代际效应依赖于父系在用药时的代谢状态（正常饮食下有损害，高脂饮食下反而有保护作用），还发现该效应具有可逆性（停药3周后效应消失）且仅限F1代。研究团队利用RRBS鉴定出937个二甲双胍诱导的差异甲基化区域（Met-DMRs），发现其通过引起子代肝脏维生素B6缺乏，介导犬尿氨酸代谢通路异常，进而积聚黄尿酸（XA）抑制肌肉胰岛素信号。维生素B6补充可有效挽救子代的糖代谢异常，为临床干预提供了新思路。

研究方法

（1）动物模型与分组设计

实验对象：雄性SD大鼠。

Batch A（核心发现队列）：标准对照饮食，随机分为对照组（Veh）（1ml/kg生理盐水）和暴露组（Met）（200mg/kg盐酸二甲双胍），连续21天每日灌胃给药后与未处理雌鼠交配产生F1代。

Batch B（背景与可逆性队列）：随机分为对照饮食（CND）和高脂饮食（HFD，45%脂肪能量）6周后分为六组：CND-Veh、CND-Met、HFD-Veh、HFD-Met、Veh-WD（停药3周）、Met-WD（停药3周）。

Batch C（机制验证队列）：用于维生素B6干预研究。Batch C子代随机分为对照组（无菌水）和维生素B6干预组（2 g/L维生素B6饮水），干预4周。

（2）代谢表型分析

体成分分析：17周龄时使用核磁共振（QMR）定量全身脂肪和瘦肉量。

糖代谢检测：对子代进行腹腔注射葡萄糖耐量试验（IPGTT） 和腹腔注射胰岛素耐量试验（IPITT），来计算血糖曲线下面积（AUC）。

组织学分析：收集脂肪组织（gWAT、iWAT、BAT）进行HE染色及细胞大小分析；肝脏进行HE和油红O染色来评估脂肪变性。

血清生化：检测胰岛素、甘油三酯（TG）、低密度脂蛋白胆固醇（LDL-C）、高密度脂蛋白胆固醇（HDL-C），并计算胰岛素抵抗指数（HOMA-IR）。

能量代谢：记录食物摄入、自主活动量和呼吸商。

胰岛素信号：胰岛素刺激后，通过Western blot检测肌肉和肝脏中Akt蛋白的磷酸化水平。

（3）分子机制研究及验证

RRBS精子DNA甲基化测序：附睾尾和输精管精子进行RRBS甲基化测序，计算CpG位点甲基化水平、鉴定差异甲基化区域（DMRs）等。

RNA测序：腓肠肌RNA，鉴定差异表达基因。

非靶向代谢组学：17周龄F1大鼠血浆和肝脏样本高分辨质谱分析。

靶向代谢组学：12周龄F1大鼠血浆，LC-MS/MS检测色氨酸代谢物。

功能验证：体外原代肌管XA处理（0、10、30、100 mM）、体外SD大鼠XA腹腔注射（100 mg/kg）后IPGTT。

研究结果

（1）父系二甲双胍暴露诱导F1代代谢失调

研究首先证实了父系二甲双胍暴露的代际传递作用。与对照组（Veh-F1）相比，暴露组（Met-F1）的雄性及雌性子代从第8周开始体重显著增加。到第15周，Met-F1的雄性子代超重率达50.0%，雌性达45.8%，而对照组仅为4.2%和0.0%。MRI体成分分析证实增重源于脂肪量特异性增加，瘦体重无变化。同时，这些子代出现显著的糖耐量受损，其IPGTT的血糖曲线下面积显著升高，并伴有胰岛素抵抗（HOMA-IR升高）（图1a-e）。

图1：父系二甲双胍诱导F1代跨代代谢功能障碍

a.  父系二甲双胍处理、停药（脱瘾）及跨代传递的实验设计示意图。

b.  F1代雄性和雌性子代体重（Veh-F1）（左），15周龄时体重Z-score分布（右）。

c.  F1代雄性和雌性子代的脂肪量（左）和瘦体重（右）的MRI定量分析。

d.  F1代雄性和雌性子代的腹腔葡萄糖耐量试验（IPGTT）曲线及相应的AUC。

e.  F1代雄性和雌性子代的空腹胰岛素水平和稳态模型评估胰岛素抵抗指数（HOMA-IR）。

f.  停药3周后的F1代雄性和雌性子代体重（左）。15周龄时体重分布（右）。

g.  停药3周后产生的F1代雄性和雌性子代的IPGTT曲线及AUC。

h.  F2代雄性和雌性子代体重（左）。12周龄时体重分布（右）。

i.  F2代雄性和雌性子代的IPGTT曲线及AUC。

j.  F0代精子DNA甲基化与F1代雄性及雌性子代体重（BW）或葡萄糖耐量（GTT AUC）之间的相关性圈图。

k.  F0代精子中二甲双胍诱导的DMRs热图（上）。二甲双胍相关DMRs在Met-F0 vs Veh-F0（二甲双胍效应）、Met-WD-F0 vs Met-F0（停药效应）比较中的甲基化变化排序（下）。

l.  二甲双胍诱导DMRs的染色体分布。

m.  与二甲双胍诱导DMRs重叠基因的KEGG通路富集分析。

n.  17周龄F1代子代血浆非靶向代谢组学鉴定的53个显著改变代谢物热图。

o.  差异代谢物的代谢通路富集分析。

p.  F1代血浆中色氨酸通路中间产物的相对丰度柱状图。

q.  F1代子代血浆XA浓度与葡萄糖耐量之间的线性回归分析。

r.  原代肌肉细胞经递增剂量XA（0 nM、10 nM、30 nM、100 nM）处理后的胰岛素信号。

s.  外源性XA（100 mg/kg，腹腔注射）对大鼠全身葡萄糖稳态的急性效应。

t.  F1代子代肝脏PLP水平。

u.  不同人体BMI分类中的血浆PLP和犬尿氨酸（KYN）浓度。

v.  维生素B6（VB6）处理方案示意图。

w-x.  VB6处理后F1代雄性（w）和雌性（x）子代的IPGTT曲线及AUC。

y. VB6处理4周期间F1代雄性和雌性子代的体重变化轨迹。

（2）代际效应的可逆性与F2代传递

研究发现二甲双胍的诱导效应具有严格的时间窗口依赖性。通过设置3周的停药期，发现在停药后，Met-WD-F1代体重和糖耐量完全恢复到正常水平。双变量分析也证实，停药组的代谢表型与对照组无显著差异，表明代际效应在停药后消失可逆。更进一步的代际传递研究显示，这种代谢失调只会持续到F1代，而不会通过父系（F0雄鼠 → F1雄鼠 → F2代）传递到F2代，表明该效应为受药物持续暴露引起的“代际效应”，而非稳定的跨代表观遗传（图1f-i）。

（3）RRBS揭示精子DNA甲基化是跨代传递的表观遗传载体

研究团队利用RRBS技术对F0代雄鼠的精子进行全基因组DNA甲基化分析，涵盖六个实验组（Veh、Met、Veh-WD、Met-WD、HFD-Veh和HFD-Met），共鉴定出937个二甲双胍诱导的差异甲基化区域（Met-DMRs），这些区域与479个基因有关（图1j-k）。这些Met-DMRs的甲基化水平在3周停药后也基本恢复至正常水平（图1k），与表型挽救现象高度一致，为DNA甲基化介导跨代效应提供了独立的表观遗传学证据。

染色体分布分析显示，Met-DMRs包括经典印记调控区（如Gnas和Grb10），但大部分位于非印记基因组区域（图1l），挑战了“印记位点是父系跨代表观遗传信息主要载体”的传统观点。Met-DMRs的KEGG通路富集分析结果表明，这些区域显著富集于色氨酸代谢通路（图1m），为后续的代谢物分析提供了精准靶点。

RRBS无监督层次聚类分析显示，精子甲基化组同时受父代饮食和二甲双胍暴露影响（图2b）。通过将精子甲基化水平与F1核心代谢表型（体重、GTT AUC）进行相关性分析，鉴定出与表型显著相关的候选位点（图2c-f）。在HFD相关分析中，研究鉴定出2018个HFD-DMRs，数量多于Met-DMRs，表明HFD对精子甲基化重编程效应更强（图2g）。交叉比较揭示了HFD与二甲双胍诱导的甲基化变化之间存在显著的互反关系：在HFD-DMRs处，HFD条件下的二甲双胍处理可以恢复HFD诱导的甲基化变化；但在正常饮食下，二甲双胍诱导的甲基化变化与HFD单独作用高度相似（图2i）。这种甲基化变化的显著可逆性精确平行于子代代谢表型可逆性，进一步巩固了DNA甲基化作为跨代效应介质的因果地位。

图2：父系二甲双胍以饮食依赖性和脱瘾依赖性方式重编程精子DNA甲基化，并与F1代代谢改变相关。

a. F0代雄性大鼠精子及将F0代精子甲基化与F1代代谢表型相关联来鉴定候选DMRs整合RRBS工作流程示意图。

b. F0代精子DNA甲基化谱的分层聚类分析。

c-f.与F1代GTTAUC或BW显著相关的甲基化区域（MRs）热图：(c)雄性GTTAUC；(d)雌性GTTAUC；(e)雄性BW；(f)雌性BW。

g. 与父系高脂饮食暴露显著相关的2,018个DMRs热图。

h. 与HFD相关DMRs重叠基因的KEGG通路富集分析。

i. HFD相关DMRs在三个比较中甲基化变化的排序图：HFD-Veh vs CND-Veh（HFD效应）、HFD-Met vs HFD-Veh（HFD条件下二甲双胍效应）以及CND-Met vs CND-Veh（CND条件下二甲双胍效应）。

（4）代谢组学与维生素B6-犬尿氨酸通路机制

非靶代谢分析鉴定出53个显著差异代谢物（31上调、22下调），通路富集分析揭示色氨酸代谢显著变化，犬尿氨酸分支选择性上调。其中XA与GTT-AUC相关性最强。功能验证证实XA剂量依赖性地抑制胰岛素刺激的AKT磷酸化并急性损害糖耐量。

Met-F1代肝脏PLP水平降低，优先损害犬尿氨酸酶活性，使代谢流转向XA合成。人类血浆靶向代谢分析证实PLP与BMI和KYN浓度呈负相关。维生素B6补充（4周饮水）完全挽救两性糖耐量异常，恢复肌肉胰岛素刺激的AKT磷酸化，但体重轨迹无变化。上述结果表明维生素B6益处主要在糖稳态而非脂肪量改变（图1n-y）。

结论和启示

本研究通过RRBS甲基化测序、代谢组学分析、表型分析、体内体外功能实验系统证明父系孕前二甲双胍暴露可通过精子DNA甲基化组重编程诱导F1代多维代谢失调，但停药可逆、F2不传递。二甲双胍的代际效应呈现饮食依赖的双向调控机制，即正常饮食下有害，高脂饮食下部分保护。研究还阐明了二甲双胍引起的子代代谢失调可以通过简单的维生素B6补充来逆转。这为表观遗传编程的不良作用提供了一个低成本、低风险的临床转化路径，为将来可能面临风险的特定人群提供了切实可行的预防/干预策略。

RRBS甲基化测序在本研究中的作用

提供分子线索：从精子表观组中筛选出色氨酸代谢通路，从而指导后续分子机制研究。

验证表型-机制的直接联系：DNA甲基化是联系“父系药物暴露”与“子代代谢表型”最直接的桥梁。停药后，不仅子代表型恢复正常，而且精子甲基化模式也几乎恢复到正常状态。

筛选生物标志物：精子的DNA甲基化特征可以作为父系健康状况的感应器。未来临床中或许可以通过检测男方备孕前的精子甲基化图谱来评估其子代的潜在代谢风险，实现从“事后补救”到“事前预警”转变。

参考文献：

Pan T, Fan G, Ji X, Zhou Y, Li Y, Wang F, Jiang C, Liu X, Ma L, Le Q. Paternal preconceptional metformin exposure induces metabolic dysregulation in offspring. Cell Discov. 2026 Jul 1;12(1) doi: 10.1038/s41421-026-00913-5.