Abstract Spermatozoa harbour a complex and environment-sensitive pool of small non-coding RNAs (sncRNAs) 1 , which influences offspring development and adult phenotypes 1–7 . Whether spermatozoa in the epididymis are directly susceptible to environmental cues is not fully understood 8 . Here we used two distinct paradigms of preconception acute high-fat diet to dissect epididymal versus testicular contributions to the sperm sncRNA pool and offspring health. We show that epididymal spermatozoa, but not developing germ cells, are sensitive to the environment and identify mitochondrial tRNAs (mt-tRNAs) and their fragments (mt-tsRNAs) as sperm-borne factors. In humans, mt-tsRNAs in spermatozoa correlate with body mass index, and paternal overweight at conception doubles offspring obesity risk and compromises metabolic health. Sperm sncRNA sequencing of mice mutant for genes involved in mitochondrial function, and metabolic phenotyping of their wild-type offspring, suggest that the upregulation of mt-tsRNAs is downstream of mitochondrial dysfunction. Single-embryo transcriptomics of genetically hybrid two-cell embryos demonstrated sperm-to-oocyte transfer of mt-tRNAs at fertilization and suggested their involvement in the control of early-embryo transcription. Our study supports the importance of paternal health at conception for offspring metabolism, shows that mt-tRNAs are diet-induced and sperm-borne and demonstrates, in a physiological setting, father-to-offspring transfer of sperm mitochondrial RNAs at fertilization.

Abstract Cell competition is emerging as a quality control mechanism that eliminates unfit cells in a wide range of settings from development to the adult. However, the nature of the cells normally eliminated by cell competition and what triggers their elimination remains poorly understood. In mouse, prior to gastrulation 35% of epiblast cells are eliminated. Here we have performed single cell transcriptional profiling of these cells and find that they show the hallmarks of cell competition and have mitochondrial defects. We demonstrate that mitochondrial defects are common to a range of different loser cell types and that manipulating mitochondrial function is sufficient to trigger competition. Importantly, we show that in the embryo cell competition eliminates cells with mitochondrial DNA mutations and that even non-pathological changes in mitochondrial DNA sequence can induce cell competition. Our results therefore suggest that cell competition is a purifying selection that optimises mitochondrial performance prior to gastrulation.

Modern gene therapies aim to prevent the inheritance of mutant mitochondrial DNA (mtDNA) from mother to offspring by using a third-party mtDNA background. Technological limitations mean that these therapies may result in a small amount of maternal mtDNA admixed with a majority of third-party mtDNA. This situation is unstable if the mother's mtDNA experiences a proliferative advantage over the third-party mtDNA, in which case the efficacy of the therapy may be undermined. Animal models suggest that the likelihood of such a proliferative advantage increases with increasing genetic distance between mother and third-party mtDNA, but in real therapeutic contexts the genetic distance, and so the importance of this effect, remains unclear. Here we harness a large volume of available human mtDNA data to model random sampling of mother and third-party mtDNAs from real human populations. We show that even within the same haplogroup, genetic differences around 20-80 SNPs are common between mtDNAs. These values are sufficient to lead to substantial segregation in murine models, over an organismal lifetime, even given low starting heteroplasmy, inducing increases from 5% to 35% over one year. Randomly pairing mothers and third-party women in clinical contexts thus runs the risk that substantial mtDNA segregation will compromise the beneficial effects of the therapy. We suggest that choices of "mtDNA donors" be based on recent shared maternal ancestry, or, preferentially, explicit haplotype matching, in order to reduce the potential for problems in the implementation of these therapies.