Биологи Орегонского университета использовали модельный организм свободноживущей нематоды, или круглого червя (Caenorhabditis elegans, далее C. elegans), чтобы определить молекулярные механизмы, которые повреждают ДНК в сперматозоидах и влияют на мужское бесплодие, вызванное продолжительной жарой.
У людей оптимальная температура для производства семенной жидкости слегка ниже температуры тела — около 32-35 ℃. Исследования на людях показали, что даже повышение температуры всего лишь на 1 ℃ выше нормального диапазона резко влияет на мужскую фертильность, как заявила Диана Либуда, профессор кафедры биологии и института молекулярной биологии.
Явление мужского бесплодия, вызванного перегревом, хорошо известно. Воздействие современных факторов риска, связанных с повышением температуры и способных вызвать подобный эффект, к которым можно отнести, в частности, горячие ванны, плотную одежду и продолжительное вождение, изучено очень интенсивно. Но механизмы процесса повреждения сперматозоидов и снижения фертильности всё ещё не до конца поняты.
«Как для людей, так и для C. elegans относительно небольшого повышения температуры достаточно для снижения мужской фертильности», — сказала профессор Либуда.
Повышение температуры на 2 ℃ выше нормы для C. elegans привело к 25-кратному увеличению числа повреждений ДНК в развивающихся сперматозоидах, по сравнению с не подверженными нагреванию. Яйцеклетки, оплодотворённые этой повреждённой семенной жидкостью, не смогли произвести потомство.
Это основное открытие исследования детально приведено в статье, опубликованной 15 октября в онлайн-версии журнала Current Biology исследователями из лаборатории профессора Либуды. Постдокторант Николь А. Курханевиц — ведущий автор исследования.
По словам Р. Скотта Хоули, эксперта по исследованиям мейоза, не участвовавшего в этой работе, исследование закладывает основу для дальнейших работ по изучению млекопитающих и человека, чтобы подтвердить, действительно ли те же механизмы влияют на мужское бесплодие.
Хоули, член национальной академии наук и заслуженный профессор высшей школы медицинских исследований Института Стоуэрса в Канзас-Сити, Миссури, узнал о предварительных результатах исследований на академической конференции.
«Я думаю, это значимая статья, потому что она показывает эффекты среды, которые меняют конкретные последовательности ДНК и, судя по всему, белки, которые контролируют их активность, — сказал Хоули. — В работе Дианы и Николь ясно показано, что происходит на молекулярном уровне, когда на производство сперматозоидов влияет тепловое воздействие, по крайней мере, у червей».
Исследование также поможет понять, как мейоз, процесс производства половых клеток, отличается для сперматозоидов и яйцеклеток.
Сперматозоиды, мельчайшие клетки в человеческом теле, миллиардами образуются при температуре ниже температуры тела и производятся на протяжении всей взрослой жизни. Яйцеклетки, самые большие клетки в теле человека, производятся внутри тела, где поддерживается постоянная температура, причём производятся они в ограниченный период времени в ходе внутриутробного развития.
«Мы знаем, что процесс развития сперматозоидов очень чувствителен к повышенным температурам, тогда как на развитие яйцеклеток это не влияет, — сказала Курханевиц. — На основе данных, представленных в этой статье, можно предположить, что ещё одно различие в том, как развиваются яйцеклетки и сперматозоиды, — это то, насколько сильно они контролируют способность подвижных элементов ДНК, также известных как «прыгающие гены» или транспозоны, двигаться по геному, и насколько механизмы предотвращения этого движения чувствительны к тепловому воздействию».
Транспозоны — это участки ДНК, которые могут перемещаться по ней и изменять генетическую информацию, вставляя себя в новые места. Они также повреждают ДНК на своём пути. Передвижение этих «прыгающих генов» обычно подавляется в развивающихся сперматозоидах и яйцеклетках. Однако в этом исследовании было выяснено, что после тепловой обработки транспозоны начинают двигаться именно в развивающихся сперматозоидах.
Команда исследователей использовала микроскопию для наблюдения за развивающимися сперматозоидами и яйцеклетками в нормальных условиях и при перегреве. В последнем случае учёные увидели более высокие показатели повреждений ДНК в сперматозоидах, но не в яйцеклетках. Используя секвенирование генома следующего поколения, они также определили местонахождение транспозонов по всему геному для обычного и подвергнутого перегреву образцов.
По словам Хоули, в исследовании не только показан тот факт, что небольшое повышение температуры влияет на мейотическое деление, но также и определение механизма данного процесса. То есть не только раскрывает, где ошибка, но и чем она заключается.
«Вот где становится интересно, — сказал он. — Если мы сможем определить, насколько серьёзны эти изменения, и если вы действительно обеспокоены такими вопросами, как влияние горячих ванн или “семейники против плавок”, то такое понимание на молекулярном уровне может позволить вам вести дебаты основываясь на твёрдых научных основаниях».
Перевод Антон Меньшенин.
Редактор Елена Королёва и Екатерина Хананова.
