A novel study from EMBL Rome scientists reveals that a father’s preconception environment can leave subtle – but detectable – molecular footprints in embryos, able to shape development and long-term health of offspring.
Fathers shape embryonic development through molecular ‘signatures’. Credits: Daniela Velasco/EMBL
Summary
A collaborative team led by Ana Boskovic and Jamie Hackett at EMBL Rome explored how different paternal preconception environments influence embryonic development. Their findings revealed that:
An imbalanced paternal gut microbiome or altered diet disrupts the expression of key genes involved in extra-embryonic tissue development or growth.
Genetic background modulates these effects, indicating that a complex interaction between genetics and environmental influences underlies inheritance.
Paternal age impacts offspring development at the earliest stages of embryogenesis.
Over the past few decades, growing evidence has challenged the belief that inheritance is governed solely by DNA sequences. Scientists now recognise the crucial role of epigenetic inheritance – the transmission of biological traits via chemical modifications to DNA and its associated proteins. These modifications do not alter the genetic code itself but influence how genes are switched on or off, often in response to environmental factors such as stress, diet, or drug exposure.
While the concept of maternal epigenetic inheritance is relatively intuitive – given the direct biological connection between mother and embryo during gestation – recent research shows that fathers, too, can transmit environmentally induced epigenetic changes to their offspring. However, the prevalence of epigenetic inheritance – and the mechanisms behind it – remains unclear.
A collaborative study between the two groups, now published in EMBO Journal, examined how specific paternal environments affect early embryonic development in a systematic manner and under tightly controlled genetic and environmental conditions in mice.
To induce environmental perturbations, prospective fathers were exposed to either non-absorbable antibiotics (disrupting the gut microbiota) or to a low-protein, high-sugar diet. To minimise experimental variability, the analyses were performed on embryos resulting from in vitro fertilisation (IVF). Embryos were collected approximately four days after fertilisation (blastocyst stage) and individually analysed to measure differences in gene expression compared to controls (blastocysts that resulted from fathers without any treatment).
The results were striking. Both environmental perturbations led to significant changes in embryonic gene expression. Disruption of the paternal gut microbiota reduced the expression of key genes involved in extra-embryonic tissue development, while changes in the diet were linked with a modest developmental delay.
To further investigate the influence of the genetic background, scientists repeated the experiments using a different mouse strain. The outcome differed, suggesting the importance of the genetic component in shaping how environmental exposures affect offspring.
Additionally, embryos derived from older fathers showed a stronger effect on gene expression, especially on genes involved in immune-related processes, indicating that paternal age is another important factor involved in epigenetic inheritance.
“We have demonstrated that large-scale experiments are essential to untangle how specific environmental factors contribute to epigenetic inheritance across different genetic backgrounds,” said Ana Boskovic. “Our tightly controlled experimental design can serve as a template for future intergenerational studies.”
“Our study represents a step toward understanding the mechanism of epigenetic inheritance, particularly through the paternal line,” said Jamie Hackett. “We plan to apply additional tools to investigate early changes in offspring in response to paternal environments, with the hope of paving the way for new strategies in disease prevention.”
I padri influenzano lo sviluppo embrionale attraverso “firme” molecolari
Un nuovo studio condotto dagli scienziati dell’EMBL di Roma rivela che l’ambiente paterno prima del concepimento può lasciare impronte molecolari sottili – ma rilevabili – negli embrioni, in grado di influenzare lo sviluppo e la salute a lungo termine della prole.
Sintesi
Un team collaborativo guidato da Ana Boskovic e Jamie Hackett presso l’EMBL di Roma ha esplorato come l’esposizione dei padri a diversi ambienti nel periodo precedente al concepimento influenzino lo sviluppo embrionale. I loro risultati hanno rivelato che:
Un microbioma intestinale paterno squilibrato o una dieta alterata compromettono l’espressione di geni chiave coinvolti nello sviluppo o nella crescita dei tessuti extra-embrionali.
Il background genetico modula questi effetti, indicando che l’ereditarietà è il risultato di un’interazione complessa tra genetica e influenze ambientali.
L’età paterna influisce sullo sviluppo della prole già nelle primissime fasi dell’embriogenesi.
Negli ultimi decenni, prove sempre più numerose hanno messo in discussione la convinzione che l’ereditarietà sia governata unicamente dalle sequenze di DNA. Oggi, gli scienziati riconoscono il ruolo cruciale dell’ereditarietà epigenetica – la trasmissione di tratti biologici attraverso modificazioni chimiche del DNA e delle proteine ad esso associate. Queste modificazioni non alterano il codice genetico in sé, ma influenzano il modo in cui i geni vengono attivati o disattivati, spesso in risposta a fattori ambientali come lo stress, la dieta o l’esposizione a farmaci.
Sbbene il concetto di ereditarietà epigenetica materna sia relativamente intuitivo – data la connessione biologica diretta tra madre ed embrione durante la gestazione – ricerche recenti dimostrano che anche i padri possono trasmettere modificazioni epigenetiche indotte dall’ambiente alla loro prole. Tuttavia, la diffusione di questo fenomeno – e i meccanismi che lo regolano – restano ancora poco chiari.
Uno studio collaborativo tra i due gruppi, ora pubblicato su EMBO Journal, ha esaminato in modo sistematico come ambienti paterni specifici influenzino lo sviluppo embrionale precoce nei topi, sotto condizioni genetiche e ambientali strettamente controllate.
Per indurre perturbazioni ambientali, i futuri padri sono stati trattati con antibiotici non assorbibili (per alterare il microbiota intestinale) oppure sottoposti ad una dieta povera di proteine e ricca di zuccheri. Per ridurre la variabilità sperimentale, le analisi sono state condotte su embrioni ottenuti tramite fecondazione in vitro (FIV). Gli embrioni sono stati prelevati circa quattro giorni dopo la fecondazione (allo stadio di blastocisti) e analizzati individualmente per misurare le differenze nell’espressione genica rispetto ai controlli (blastocisti provenienti da padri non trattati).
I risultati sono stati sorprendenti. Entrambe le perturbazioni ambientali hanno causato cambiamenti significativi nell’espressione genetica embrionale. L’alterazione del microbiota intestinale paterno ha ridotto l’espressione di geni chiave coinvolti nello sviluppo dei tessuti extra-embrionali, mentre i cambiamenti nella dieta sono stati associati a un lieve ritardo nello sviluppo.
Per approfondire l’influenza del background genetico, gli scienziati hanno ripetuto gli esperimenti utilizzando una diversa linea di topi. I risultati sono cambiati, suggerendo l’importanza della componente genetica nel modulare gli effetti delle esposizioni ambientali sulla prole.
Inoltre, gli embrioni derivati da padri più anziani hanno mostrato un effetto maggiore sull’espressione genica, in particolare su geni coinvolti nei processi immunitari, indicando che anche l’età paterna è un fattore importante nell’ereditarietà epigenetica.
“Abbiamo dimostrato che esperimenti su larga scala sono essenziali per comprendere come fattori ambientali specifici contribuiscano all’ereditarietà epigenetica in diversi contesti genetici,” ha affermato Ana Boskovic. “Il nostro design sperimentale rigoroso potrà servire da modello per futuri studi intergenerazionali.”
“Il nostro studio rappresenta un passo avanti nella comprensione dei meccanismi dell’ereditarietà epigenetica, in particolare lungo la linea di trasmissione paterna,” ha aggiunto Jamie Hackett. “Abbiamo in programma di applicare strumenti aggiuntivi per indagare i cambiamenti precoci nella prole in risposta agli ambienti paterni, con la speranza di aprire la strada a nuove strategie di prevenzione delle malattie.”
