《细胞发现》：补叶酸，万勿过量！中美科学家首次从全基因组/甲基化水平发现，过量补充叶酸增加后代基因突变率丨科学大发现

安宇雨 - 随手采集
2023-04-10 10:09:29
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*仅供医学专业人士阅读参考

补充叶酸（FA）可以大幅降低出生缺陷的风险，应该是尽人皆知了。

据统计，为了降低新生儿神经管畸形（NTDs）和先天性心脏缺陷（CHDs）的患病率，已经有超过80个国家启动了强制性的叶酸食品强化计划[1]。

然而，一个不争的事实是：由于日常摄入的很多膳食补充剂中也含有叶酸，很多人的每日叶酸摄入量已经超过了推荐的0.4毫克[2]。此外，之前有神经管畸形患儿生育史的备孕妇女，以及有生育问题的男性，每天补充的叶酸可能是推荐剂量的数倍，甚至十余倍[3]。

那么过量摄入叶酸对后代有没有不利的影响呢？

近日，由复旦大学附属妇产科医院王红艳教授和美国贝勒医学院Richard H. Finnell教授领衔的研究团队，在著名期刊《细胞研究》上发表了一项重要研究成果[4]。

他们在全球范围内首次利用全基因组测序（WGS）和全基因组亚硫酸氢盐测序（WGBS）技术，探索了摄入不同水平叶酸对小鼠后代DNA突变的影响。

研究结果发现，与摄入正常水平叶酸相比，亲代叶酸摄入不足，子代胚胎的新杂合单核苷酸变异（DNSNVs）翻倍；亲代叶酸摄入过量，子代胚胎的新杂合单核苷酸变异（DNSNVs）增加80%。

也就是说，叶酸的摄入应该控制在一个特定的范围之内，摄入不足或者过量，对后代健康均会产生不利影响。贝勒医学院的Lei Yunping也是论文的通讯作者之一。

论文首页截图

大约在五六年前，就有科学家注意到，新生儿出生时母体血浆叶酸和B12水平极高，与新生儿患自闭症谱系障碍（ASD）风险增加有关[5]；以及备孕期间父系甲基供体（叶酸等）摄入量升高，会导致子代小鼠的学习和记忆方面出现缺陷，而且这种缺陷与特定基因的甲基化有关[6]。

以上这些研究都暗示，过量摄入叶酸可能会对后代产生不利影响，然而这个领域仍缺乏系统性的研究。王红艳教授和Finnell教授团队，想量化摄入不同水平叶酸对后代DNA突变和DNA甲基化修饰的影响。

研究人员以C57BL/6 J小鼠为研究对象，喂养的口粮按照叶酸含量不同分为三种：低叶酸饮食（0.3ppm）、正常叶酸饮食（3ppm，也是对照组）和高叶酸饮食（30ppm）。如果将指南推荐的每日摄入0.4毫克叶酸作为标准的话，那对照组小鼠每天的摄入量相当于人每天摄入0.1-0.2毫克叶酸，高叶酸组小鼠每天的摄入量相当于人的1.8毫克每天。

在连续喂养四个月之后，低叶酸饮食、高叶酸饮食和对照组的小鼠，分别与对照组的小鼠交配。也就是说，在所有配对的小鼠（77对）中，至少有一只是正常饮食小鼠。随后，研究人员采集了所有亲代的DNA和发育到12.5天的完整胚胎（E12.5）的DNA，并开展全基因组测序。

他们一共找到了2621个新杂合单核苷酸变异（DNSNVs），其中26个低叶酸组胚胎检测到1096个（中位数为36），26个对照组胚胎检测到548个（中位数为19.5），25个高叶酸组胚胎检测到977个（中位数为35）。

具体到父母双方叶酸摄入水平对后代DNA突变情况的影响，数据如下：对照组DNSNVs中位数仍为19.5；父系低叶酸饮食组DNSNVs中位数为33，母系低叶酸饮食组DNSNVs中位数为38；父系高叶酸饮食组DNSNVs中位数为40，母系高叶酸饮食组DNSNVs中位数为23.5。

基于以上数据，研究人员得出结论：与DNSNVs相比，低叶酸组（2.0倍，p=0.00011）和高叶酸组（1.8倍，p=0.00069）的DNSNVs数量，分别是对照组的的2倍和1.8倍，而且父系摄入过量叶酸对后代影响更大。

摄入叶酸水平不同对后代的影响

通过对所有的DNSNVs进行注释，研究人员发现93.6%的DNSNVs发生在非编码区，但是主要富集在基因的启动子区域。也就是说，这些突变虽然不影响基因的序列，但是可能会影响对应基因的表达。

正如我在前面介绍的，叶酸作为甲基供体会影响到DNA的甲基化，而DNA的甲基化与DNA突变也存在一定的关联。因此，研究人员想知道父系摄入不同水平叶酸对后代的DNA甲基化有何影响。

基于全基因组亚硫酸氢盐测序技术，他们发现与对照组相比，低叶酸组的胚胎主要是低甲基化，而高叶酸组的胚胎则是全局高甲基化。

具体来说，与对照组相比，在低叶酸组的胚胎中检测到734个高甲基化的差异甲基化区域（DMRs）和2127个低甲基化的DMRs；相比之下，在高叶酸组的胚胎中检测到4802个高甲基化的DMRs和904个低甲基化的DMRs。重要的是，大约40%的DMRs定位于基因启动子区域，这表明父系的叶酸摄入可能对基因表达产生重大影响。

不同叶酸水平对DNA甲基化的影响

那么叶酸导致的DNA甲基化水平差异，是否与后代DNA突变水平差异有关呢？

我们都知道，基因的启动子如果高度甲基化，就会抑制基因的表达；而基因本身的过度甲基化会促进基因的表达[7]。因此，研究人员回头分析了数据，看看高叶酸组的DNA甲基化是不是主要集中在DNA修复基因的启动子里了。

不出所料，他们在58个参与DNA修复的基因启动子区域观察到高甲基化DMRs。

基于以上研究数据，研究人员认为，低和高叶酸都改变了DNA甲基化的格局，增加了突变率。然而，低叶酸组和高叶酸组之间甲基化增加DNA突变率的机制可能不同。低叶酸饮食通过将CpG位点的甲基化胞嘧啶（5mC）脱氨为胸腺嘧啶而增加突变率，而高叶酸饮食可能是通过高甲基化启动子CpG岛下调DNA修复途径而增加突变率。

需要强调的是，王红艳教授和Finnell教授团队的这项研究并不是否定补充叶酸的价值，而是在肯定补充叶酸有价值的同时指出过量补充叶酸的潜在危害。当然了这是一项基础小鼠模型的基础研究，摄入不同水平叶酸对后代的影响，还需要人体研究进一步证实。

不过，我们可以做到的是，注意日常叶酸的摄入，保证适量补充叶酸。

参考文献：

[1].Morris JK, Addor MC, Ballardini E, et al. Prevention of Neural Tube Defects in Europe: A Public Health Failure. Front Pediatr. 2021. doi:10.3389/fped.2021.647038

[2].Maruvada P, Stover PJ, Mason JB, et al. Knowledge gaps in understanding the metabolic and clinical effects of excess folates/folic acid: a summary, and perspectives, from an NIH workshop. Am J Clin Nutr. 2020;112(5):1390-1403. doi:10.1093/ajcn/nqaa259

[3].Wong WY, Merkus HM, Thomas CM, et al. Effects of folic acid and zinc sulfate on male factor subfertility: a double-blind, randomized, placebo-controlled trial. Fertil Steril. 2002;77(3):491-498. doi:10.1016/s0015-0282(01)03229-0

[4].Cao X, Xu J, Lin YL, et al. Excess folic acid intake increases DNA de novo point mutations. Cell Discov. 2023;9(1):22. doi:10.1038/s41421-022-00512-0

[5].Raghavan R, Riley AW, Volk H, et al. Maternal Multivitamin Intake, Plasma Folate and Vitamin B12 Levels and Autism Spectrum Disorder Risk in Offspring. Paediatr Perinat Epidemiol. 2018;32(1):100-111. doi:10.1111/ppe.12414

[6].Ryan DP, Henzel KS, Pearson BL, et al. A paternal methyl donor-rich diet altered cognitive and neural functions in offspring mice. Mol Psychiatry. 2018;23(5):1345-1355. doi:10.1038/mp.2017.53

[7].Jones PA. Functions of DNA methylation: islands, start sites, gene bodies and beyond. Nat Rev Genet. 2012;13(7):484-492. doi:10.1038/nrg3230