父亲的压力和习惯，早已传递给了我们？

传统观念认为，精子只是带着DNA、长着尾巴的运输工具，其唯一任务是把父亲的基因传递给母亲的卵子，实现有性繁殖。而胚胎发育过程中涉及的其他一切——包括细胞构成和环境因素——都与父亲无关，完全来自母亲。

但近二十年来，多家独立实验室的研究正在逐步推翻这一说法。研究发现，精子传递的不仅是DNA：在精子微小的头部，还藏有一些分子，它们随精子进入卵子，并传递有关父亲健康状况的信息，例如饮食习惯、运动水平和压力承受情况。这些非DNA成分可能会影响受精时及其后的基因活性，从而对胚胎的发育过程产生影响，甚至会影响孩子长大后的生理状态。

目前这些研究主要基于小鼠模型，但其潜在影响可能改变我们对遗传的基本认识。美国犹他大学医学院的生殖与发育生物学家陈琦（Qi Chen）是这一研究领域的先驱之一，他表示：“这些研究提示我们，这一生我们所做的事情，会影响下一代。”换句话说，一个人在受孕前几周或几个月的饮食、摄入物、压力来源和其他经历，可能会以分子的形式被记录下来，装入精子中，最终传递给下一代。研究者们的重点放在RNA分子上，这些是DNA的短期“拷贝”，能反映当时的基因活跃情况。

这个观点令人着迷。不过，机制上的细节仍很模糊，包括：这些经历是如何被“编码”的，信息如何从精子传递给卵子，以及它是否真的会影响胚胎发育。这些问题的解答并不容易，尤其是在人体研究受限的背景下。因此，尽管这些发现可能具有颠覆性的意义，许多研究人员，包括该领域的核心科学家，在公开解释时依然保持谨慎。

“目前仍有很多地方说不清楚，”宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院及费城儿童医院的表观遗传学家柯林·科奈恩（Colin Conine）说。他一直在研究精子RNA如何传递非基因的信息。他指出，有一些内容已经比较明确：已有大量证据表明，环境因素可以调节精子中的RNA，这些分子能把性状传给后代，也能在受精后调控胚胎发育。“但RNA到底是如何做到这些的，我们几乎还不清楚，这就是目前最模糊的部分。”他说。

尽管如此，相关证据仍在不断积累。最近在2025年11月，一项发表在《细胞-代谢学》（Cell Metabolism）的综合研究追踪了雄性小鼠运动训练对精子中microRNA的分子影响。这些microRNA的靶向基因与胚胎线粒体功能和代谢调节密切相关。研究者还发现，这类过度表达的microRNA在经常锻炼的男性精子中也大量存在。

“这项研究表明，父亲的运动能够为后代带来益处，比如更强的耐力和更健康的代谢状态。” 陈琦评论道（他未参与该研究）， “这再次说明，许多通过精子介导的表观遗传效应具有很强的适应性。”

这种过去从未被记录的遗传途径，可能正在发挥重要作用，不容忽视。因此，研究人员正进一步深入实验室，试图厘清一整套分子机制，解释父亲当下的经历，如何被转化为发育“指令”，传递到母亲的卵子中。

表观遗传的路径

在大多数动物中，精子细胞相比卵子要小得多。以人类为例，一个卵细胞的体积大约是一个精子的1000万倍。卵子为受精卵（即尚未开始分裂的新生胚胎）提供了几乎所有的细胞成分——包括营养物质、细胞质、线粒体和其他细胞器、合成蛋白质所需的分子机器等等。此外，母亲还提供了胚胎乃至胎儿整个发育过程所依赖的体内环境。因此，母亲健康状况对孩子的影响，早已被广泛关注，包括在分子层面的研究。但在过去大约15年中，关于父亲经历可以通过非DNA方式被继承的证据也在不断增强。

“已经有很多实验室做了饮食和压力方面的研究，后代常见的反应通常表现为代谢或行为上的变化。”科奈恩说。比如给雄性小鼠喂食高脂或低蛋白饮食，或者在幼年时期将它们与母鼠分离，它们的后代就会出现与这些环境条件相关的性状，比如线粒体功能的变化。这些变化未必都是负面的。例如，暴露于尼古丁环境的小鼠父亲会生出雄性幼崽，这些幼崽的肝脏不仅更善于分解尼古丁，还能更有效地代谢可卡因等其他毒素。

这其中有一定的生存逻辑。马萨诸塞大学陈医学院的表观遗传学家奥利弗·兰多（Oliver Rando）领导了尼古丁相关研究，他表示，生物会趋向于让后代适应与父母类似的环境。因此，从生物学角度来看，如果能让后代预先“准备好”适应这些环境，确实有助于提高其生存能力。

“你可以把这看作是一种‘告诉孩子一些对他们有用的信息’的方式，好让他们更好地应对他们所继承的世界。”身为两个男孩父亲的兰多这样说。

不过，逻辑合理并不意味着这一定是真的。这也是为什么陈琦、兰多、科奈恩以及其他研究人员正在努力寻找父系表观遗传继承中的机制成分，试图把它们纳入我们对母系机制已有的认知体系中。所谓“表观遗传”，指的是不改变DNA序列的遗传方式，其核心在于基因在何时、以何种程度被激活、转录，并最终形成功能性蛋白质。表观遗传学家关注的是围绕基因组和染色体结构展开的分子生物学机制，这些机制可以响应内部或外部信号，开启或关闭特定基因的表达。

这种“差异性基因表达”是生物学中的核心奇迹之一。比如，人类所有细胞的DNA都是一样的，但大脑细胞却与肝脏、皮肤、血液细胞截然不同。这些差异部分来自DNA中已有的“程序”，也有一部分源自环境因素，例如长期缺乏热量或营养、因压力（比如缺乏父母照料）导致皮质醇水平升高等。这些条件会改变体内代谢物和其他分子的分布，从而影响细胞内能进行哪些反应和基因表达过程。

在表观遗传过程中，一些分子如甲基（methyl group）或乙酰基（acetyl group）能直接与DNA结合，或附着在DNA上的蛋白质上。这些作用会让基因组的某些区域“松开”或“锁紧”，类似于为特定基因开门或关门。

RNA分子——这种比DNA更灵活、寿命更短的分子——同样能参与调控基因表达。但由于RNA通常存活时间极短，可能只有几分钟或几小时，很长时间以来它们未被视为重要的表观遗传调节因子。自1990年代以来，RNA在调控中的作用逐渐被明确，包括一些RNA的寿命远超预期，可以存活数周甚至更久。其中一类叫“长链非编码RNA”（lncRNA）的分子可以通过改变DNA或其结合蛋白的状态来调节基因表达；而“microRNA”则能抑制其他RNA，尤其是那些本可以转译为蛋白质的RNA。这一发现获得了2024年诺贝尔生理学或医学奖的肯定。

那么，精子是否可以携带RNA或其他分子，进入卵子后参与胚胎中的表观遗传过程呢？一些研究人员认为这是可能的，但要将这些机制拼凑成完整的因果链，仍需要大量实验工作。

RNA的“打包运输”

要确认精子细胞确实传递了表观遗传信息，生物学家必须回答三个核心问题：第一，父亲的身体是如何将其经历——比如压力、饮食、运动或吸烟习惯——以分子的形式“编码”出来，例如在血液中循环的RNA，这些RNA能反映组织中的基因表达状态；第二，这些分子信号又是如何进入精子细胞的；第三，这些精子中的信号如何在受精过程中及之后发挥表观遗传作用，从而在后代中形成可观察到的性状（即“表型”）。

从2012年开始，陈琦陆续开展了一系列研究，开始解答上述三大问题。在他看来，这是自己科研生涯中最具偶然性的发现之一。当时，他在中科院的团队使用测序技术分析小鼠精子中的短RNA分子种类。

他们惊讶地发现，随着精子的成熟，有一类RNA的浓度急剧上升，并最终与DNA一同“挤进”了精子头部。他们进一步发现，从鱼类到人类等多种脊椎动物的血清中，都富含这类RNA。这些结果提示，携带信息的分子可能被转运进了生殖细胞中。

研究在2015年陈琦进入美国学术界后变得更加深入。他和团队收集了不同饮食条件下雄性小鼠精子的RNA，发现高脂饮食组与正常饮食组的RNA组成存在显著差异。更进一步，当研究人员将这些“高脂组”精子RNA注射进早期胚胎中，所生雄性后代出现了与高脂饮食相关的代谢异常。

这些实验让陈琦开始思考一个过去被认为“离经叛道”的可能性：也许，“某些父亲在环境中获得的性状可以被精子‘记住’，并传递给下一代”。2019年，在阐明一种调控精子RNA的路径后，他将这类遗传方式称为“精子RNA密码”（sperm RNA code），认为它“可以为后代的代谢健康进行程序化设定”。

而被这一概念吸引的不止他一人。2018年，奥利弗·兰多（Oliver Rando）团队在《发育细胞》（Developmental Cell）上发表论文，使用生化技术研究RNA是如何、在何时被装入精子中的，以及在这一过程中RNA可能发生的变化。他们试图解答这样一个问题：“到底是哪一个组织决定了精子该传递哪些信息给孩子？”兰多指出，一个合理的起点是附睾。这个连接在睾丸背后的管状器官，是精子在受精前最后一站，在大多数哺乳动物中，精子在附睾中经历为期一到两周的成熟过程。

兰多的数据显示，精子获得几乎所有小RNA都是在附睾中发生的。通过追踪特定RNA分子的技术，研究人员观察到这些RNA被“打包”进类似病毒大小的囊泡中，这些囊泡被称为附睾体（epididymosomes），它们将RNA转运进精子。

“这说明，小RNA是可以在体内非生殖细胞（如附睾细胞）和生殖细胞之间转运的。”兰多说，“附睾已逐渐成为研究父系效应的关键部位，毫无疑问，它必须被视为感知外界环境的重要‘传感器’。”

分子级的“世界快照”

兰多所说的“传感器”，正是指父系效应机制的第一步——当雄性个体经历某种生理状态（如高脂饮食、剧烈运动或毒素暴露）时，身体会将这些经历“翻译”成分子信号。而附睾则是第二步的“转运站”，把这些信号打包好，为下一代做准备。

在这一领域，伊莎贝尔·曼苏伊（Isabelle Mansuy）的研究也提供了重要线索。她在苏黎世大学及瑞士联邦理工学院，研究哺乳动物表观遗传遗传的分子和细胞机制。

其中一个研究方向是：创伤性压力如何通过血液中的细胞外囊泡（extracellular vesicles，EVs）将其分子影响传递至后代。几乎所有类型的细胞，包括附睾细胞，都会释放出细胞外囊泡（附睾体其实也是一种细胞外囊泡）。这些囊泡携带多种分子“货物”，如RNA、蛋白质、脂类和代谢物。由于细胞外囊泡可以在全身血液中循环，并穿越细胞膜，它们可能是将信息从身体其他组织传递给生殖细胞的一种方式。尤其重要的是，RNA在细胞外囊泡中存活时间更长，更稳定。

曼苏伊通过让小鼠经历如被束缚、与母鼠分离等早期创伤，制造出“压力模型”，随后检测生殖细胞中是否出现了可导致类似创伤结果的分子变化，是否能影响后代甚至“隔代”的表现。

她的研究显示，创伤性压力会改变雄性小鼠及其后代的代谢通路，尤其是脂类代谢。而且，她还在童年时期承受过高度压力的人类身上，发现了类似的代谢特征。在小鼠中，这种代谢改变在多达五代中仍然可见——这是罕见的、由实验数据支持的跨代表观遗传效应。

2025年3月，曼苏伊和同事在biorxiv.org发布的一篇预印本中报告，细胞外囊泡可将与早期压力有关的RNA、代谢物和脂类从血液转运至精子，并影响后代。由这些精子产生的后代，在成年后表现出与压力相关的代谢功能障碍，而且它们自身的精子RNA中也带有应激“印记”。“这些变化提示，精子RNA的修饰与后代的表型特征之间存在机制性的联系。”曼苏伊团队在尚未进行同行评审的论文中写道。

表型的“翻译”

或许最难理解的一步，是精子中所携带的分子究竟如何影响后代成年后的可观察性状。在某类实验中，研究人员会从处于压力环境或健康状态改变的小鼠身上提取精子RNA，再将这些RNA注射进受精卵中。结果是，这些实验所产生的幼崽通常“呈现出父亲的表型特征”，科奈恩说，这意味着RNA本身就足以将父亲的某些性状传递给后代。

那么，这一切究竟是如何发生的？在早期胚胎发育阶段，表观遗传过程占据主导地位。当一个受精细胞分裂为两个，再分裂为四个、八个……整个过程中，DNA的表达指令会不断被重新编程。随着细胞的分化和身体的逐渐成型，早期基因调控上的微小改变，可能会对成年个体产生深远影响。

2024年，科奈恩实验室的一项研究表明，小鼠精子中的microRNA能够改变胚胎的基因表达。这类实验进一步支持了这样一个观点：后代能够通过非DNA分子的“偷渡”继承父亲的性状。

最近发表在《细胞-代谢学》上的那篇论文将这个想法推进了一步。由20多位中国科学家组成的研究团队，追踪了一条具体机制，揭示了锻炼如何通过表观遗传方式传递益处。他们聚焦于一组能在早期胚胎中重编程基因表达的microRNA，发现这些RNA最终引发了成年后代骨骼肌的适应性变化，提高了其运动耐力。研究人员发现，与久坐不动的老鼠相比，经常锻炼的小鼠精子中含有更多这类microRNA。当这些RNA被注入受精卵后，所发育出的成年小鼠体能更佳，骨骼肌中的线粒体数量更多，耐力也更强。

那么，这些分子是如何产生出“运动型”表型的？实验显示，这些microRNA抑制了某种蛋白质，从而激活了一系列与线粒体功能和代谢相关的基因。

更有意思的是，在受过训练的男性身上，也检测到了许多相同的microRNA，其精子中含量高于未受训练的男性。“这种跨物种的一致性表明，这些精子中的microRNA可能在人体的跨代运动适应中发挥着作用。”研究人员在论文中写道。

父系遗传的“初稿”

父亲的亲身经历可以被身体记录、传送至精子中，并最终传递给后代的想法，已经不再显得那么离奇。尽管仍存在许多未知，越来越多的该领域研究者愿意提出他们对这一机制的猜想。

“我们的假设是：附睾能够‘感知’外部世界，并据此改变所产生的小RNA。”兰多说，“这些RNA随后在受精时进入受精卵，控制早期的基因表达和发育，从而塑造后代的健康状态或疾病风险。”

科奈恩猜测，一旦特定RNA进入卵子，就会触发一系列发育基因表达上的连锁反应，进而让父亲的某些性状在下一代中显现。令人惊讶的是，这种影响竟能在精子所携带的分子总量远小于卵子的前提下发生，包括RNA的数量也相差悬殊。

不过，父亲的经历和行为究竟是如何通过表观遗传方式影响后代，整个图景还远未完整。研究者们目前是在通过一个个实验拼图，而非在同一实验体系中逐步验证每个步骤。曼苏伊指出，目前仍缺乏关于RNA或其他表观遗传因子在受精卵中究竟发挥了什么作用、如何调控发育过程的系统描述。

“我们就像盲人摸象，每个人都在试图描述同一头大象的不同部位。”陈琦说，“背后的机制很可能是一个精子RNA密码与其他因子协同作用的‘交响乐’。”

要在人类中验证这些发现将非常艰难，但陈琦认为，这是将小鼠研究成果转化为“具有指导意义的医学建议”的关键。这需要高度控制的实验，追踪多代人的饮食、运动、衰老和环境暴露，还需要利用先进工具解析精子中打包的分子——然后再寻找这些分子特征与表型之间是否存在强相关性。

尽管尚有许多不确定性，研究者们仍在谨慎推进，并开始相信自己的实验结果。如果他们是对的，他们将发现一个生命的新事实。兰多说，每当他想到自己的两个儿子时，都会忍不住思考：在他们出生前的自己，有没有做过什么事，无意间影响了自己体内的RNA，而这些变化可能已经在儿子们身上留下了痕迹。

“我们现在还远远不能基于这些研究给出育儿建议。”兰多说，“但或许，将来我们能做到。”

作者：Ivan Amato

译者：EY

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