Долгое время считалось, что факторы, влияющие на развитие эмбриона и плода, являются исключительно материнскими. Следовательно, если возникали проблемы, касающиеся фертильности и развития эмбриона, вина традиционно возлагалась исключительно на мать. Однако, растущий интерес к влиянию мужского фактора начал выявлять новые факты. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что как семенная жидкость, так и сперматозоиды способствуют множеству факторов, формирующих эмбриогенез.
Таким образом, в этом обзоре основное внимание уделяется роли мужского фактора в стимулировании раннего эмбрионального развития и описывается, как семенная жидкость, центриоль сперматозоида, белки сперматозоидов, РНК сперматозоидов, ДНК сперматозоидов и их целостность, вместе с эпигенетикой, могут влиять на женский репродуктивный тракт и события после оплодотворения. Важный вклад отцовских факторов в развитие эмбриона подчеркивает настоятельную необходимость дальнейших исследований в этой области, которые, несомненно, приведут к прорывам, ведущим к улучшению диагностики бесплодия и ВРТ, а также к снижению риска выкидыша.
В этой статье представлен всесторонний обзор роли спермы человека в развитии раннего эмбриона с целью обеспечения лучшего понимания влияния семенной жидкости и сперматозоидов на ранние эмбриональные деления, экспрессию генов и белков, невынашивание беременности и врожденные заболевания
Рецензируемые статьи были ограничены статьями, опубликованными на английском языке в период с 1980 по 2022 год.
Полученные данные свидетельствуют о том, что факторы мужского происхождения вносят гораздо больший вклад в развитие раннего эмбриона, чем просто мужской гаплоидный геном.
В обзоре подчеркивается, что несколько мужских факторов должны работать в тандеме с женскими, чтобы обеспечить правильное оплодотворение и развитие раннего эмбриона. Более глубокое понимание вклада отцовских факторов, которые передаются от сперматозоида к эмбриону, может пролить свет о том, как улучшить ВРТ с андрологической точки зрения. Дальнейшие исследования могут помочь предотвратить передачу генетических и эпигенетических аномалий отцовского происхождения, тем самым уменьшая риск передачи мужского фактора бесплодия. Кроме того, понимание точных механизмов мужского фактора может помочь репродуктологам и клиницистам, работающим с ЭКО, в определении новых причин повторяющихся ранних выкидышей или неудачи оплодотворения.
Бесплодием страдают 10-15% супружеских пар во всем мире. Примерно в 40-50% случаев бесплодие вызвано «мужским фактором». За последние 40 лет, с внедрением ЭКО, область ВРТ добилась огромных успехов в борьбе с проблемами, связанными с фертильностью, и предоставила миллионам пар возможность иметь детей. Однако, несмотря на эти достижения, слишком мало внимания уделяется определению того, какие факторы сперматозоидов, помимо тех, которые обычно измеряются в традиционной спермограмме (концентрация, подвижность, морфология), могут вызывать препятствия в развитии эмбриона. Это связано с тем, что сперматозоид традиционно рассматривался как простое средство доставки к яйцеклетке отцовского генома. Задержка в исследовании объясняется тем, что сперматозоид остается одной из наиболее сложных и дифференцированных клеток млекопитающих, являясь единственной клеткой, которая должна покинуть организм, чтобы выполнить свою функцию оплодотворения.
✅Семенная жидкость- сложная жидкость, вырабатываемая мужскими вспомогательными половыми органами (предстательной железой, семенными пузырьками и придатком яичка), которая традиционно считалась простым средством доставки сперматозоидов к яйцеклетке. Однако новые данные указывают на то, что СЖ может играть определенную роль в развитии эмбриона, модулируя среду эндометрия, развитие после оплодотворения и рост плода (Bromfield et al., 2014; Watkins et al., 2018). Результаты исследований подтверждают, что каскад цитокинов эндометрия и привлечение регуляторных клеток подавляет воспаление, повышает толерантность матери к отцовским и эмбриональным антигенам и облегчает имплантацию эмбриона у мышей (Robertson et al., 1996, 2001: Bromfield et al., 2014). Так же все больше клинических данных подтверждают представление о том, что СЖ у людей играет решающую функцию, подготавливая эндометрий к беременности (Ibrahim et al., 2019a; George и др., 2020; Ajdary и др., 2021; Szczykutowicz и др., 2021). Воздействие на женщину СЖ партнера улучшает фертильность (Crawford et al., 2015), увеличивает частоту беременностей после ЭКО (Von wolff et al., 2009; Chicea et al., 2013; Friedler et al., 2013: Crawford et al., 2015) и может уменьшают частоту преэклампсии (Robertson et al., 2003).
✅Роль внеклеточных везикул семенной плазмы внеклеточные везикулы представляют собой связанные с мембраной частицы, секретируемые клетками во внеклеточное пространство и играющие роль в межклеточной коммуникации - транскрипции.
Придаток яичка и семенная жидкость играют важную роль в гаметогенезе, оплодотворении и эмбриогенезе. Было обнаружено, что эпидидимосомы, которые высвобождаются эпителиальными клетками придатка яичка, сливаются со сперматозоидами придатка яичка у мышей. Это "слияние" позволяет осуществлять перенос микроРНК и белков из придатка яичка в сперматозоиды. В ходе исследований было доказано, что хронический стресс, изменяет протеомный профиль эпидидимальных ВВ. Эти изменения могут передаваться сперматозоидам и изменять развитие плода, приводя к появлению потомства с аномальным развитием нервной системы (Сhan et al., 2020).
В сперме мужчин, у партнерш которых наблюдается повторные потери беременности, снижено содержание фактора дифференцировки роста 15 (gdf15). Пониженное содержание gdfi5 может нарушить его иммуномодулирующую роль в женском репродуктивном тракте, тем самым нарушая децидуализацию и приводя к потере беременности (Jena et al., 2021).
Сперматогенез основная функция сперматозоида заключается в переносе гаплоидного генома в яйцеклетку. Перед этим половые клетки должны претерпеть ряд морфологических изменений внутри яичек, чтобы развиться в зрелый сперматозоид, который можно разделить на три части (головка, шейка и хвост).
Поскольку сперматогенез является решающим этапом в определении жизнеспособности и функции сперматозоидов, это строго регулируемый процесс. Во время сперматогенеза в соматическом хроматине содержатся гистоны и ДНК, которые вместе образуют нуклеосомы. Каждая нуклеосома содержит чуть менее двух витков ДНК, обернутых вокруг набора из восьми гистонов. Эти гены могут подвергаться посттрансляционным модификациям для контроля экспрессии генов и транскрипционного доступа к областям генома. Во время сперматогенеза большинство этих гистонов заменяются протаминами, за чем следует разборка нуклеосом и специализированное уплотнение хроматина с помощью тороидов
Было продемонстрировано, что изменения в соотношениях протамина, измеренные на основе как белка, так и мРНК, отрицательно коррелируют с успехом ЭКО и качеством эмбрионов. Кроме того, Fournier et al. (2018) указали, что соотношения гистонов и протаминов могут помочь предсказать качество эмбриона на стадии бластоцисты, так что их значения должны находиться в пределах от 6% до 26% для оптимального развития бластоцисты. Если значение соотношения гистонов и протамина превысит этот показатель, экспрессия отцовского генома может быть десинхронизирована, что отрицательно сказывается на эмбриональном развитии вплоть до стадии бластоцисты.
После образования в яичке сперматозоиды перемещаются в придаток яичка, где они созревают перед транспортировкой в семявыносящий проток. Путешествие через придаток яичка является решающим шагом в правильном развитии сперматозоидов; проходя через придаток яичка, они претерпевают ряд изменений, влияющих на уплотнение ядер, эпигенетику, некодирующую РНК (ncrna), подвижность и структуру цитоскелета. Когда сперматозоиды сначала выводятся из яичка в придаток, эпителиальные клетки быстро поглощают почти 90% жидкости, что приводит к значительному увеличению концентрации сперматозоидов. Этот процесс важен для поддержания высокой концентрации сперматозоидов, чтобы максимизировать шансы на оплодотворение.
Из-за высокого уровня метаболической активности, продуцируемой клетками эпидидимального эпителия, образуются активные формы кислорода (АФК), которые являются угрозой сперматозоидам. Придаток яичка высвобождает антиоксидантные ферменты для нейтрализации АФК и защиты сперматозоидов.
Одной из наиболее важных способностей, которые приобретают сперматозоиды во время прохождения через придаток яичка, является прогрессивная подвижность, которая позволяет им перемещаться по женскому репродуктивному тракту после наступления эякуляции. Кроме того, сперматозоиды накапливают несколько факторов, важных для оплодотворения, которые играют решающую роль в связывании и проникновении клеток оболочки яйцеклетки и прозрачной зоны.
Правильное созревание важно для оплодотворения и раннего развития эмбриона. Исследования показали, что яйцеклетки, оплодотворенные спермой, полученной из головки (начальной области) придатка яичка, приводили к нарушению эмбриогенеза. Кроме того, имеются данные, подтверждающие жизнеспособность эмбрионов, оплодотворенных незрелыми сперматозоидами с помощью ИКСИ, что позволяет избежать необходимости в подвижности сперматозоидов и способности к проникновению.
Хотя для понимания истинной степени важности этих факторов требуются дополнительные исследования, разумно предположить, основываясь на текущих данных, что изменения в созревании придатка яичка, которые в конечном итоге влияют на эпигенетические маркеры, а также на мРНК, микроРНК и полезную нагрузку белков, могут привести к бесплодию и нарушению эмбриогенеза.
✅Цинк было обнаружено, что сперматозоиды и СЖ у людей и других видов млекопитающих содержат большое количество микроэлементов, включая селен (Se), железо (Fe) и цинк (Zn), которые важны для функционирования сперматозоидов и способности к оплодотворению. Например, у пациентов с астенотератозооспермией, олигоастенотератозооспермией, азооспермией уровни Zn в крови снижены по сравнению с пациентами с нормозооспермией. Хотя точная роль Zn и то, как сперматозоиды усваивают этот элемент, остаются неизвестными, предыдущие исследования показали, что
🟠Zn может играть жизненно важную роль на протяжении всей жизни сперматозоидов, от сперматогенеза до оплодотворения.
🟠Было показано, что этот микроэлемент влияет на гормональную функцию у мужчин, поскольку снижение уровня Zn приводит к снижению выработки тестостерона в клетках Лейдига.
🟠Как только сперматогенез завершен, Zn выделяется в семенную жидкость через предстательную железу и действует для защиты сперматозоидов от повреждения от окислительного стресса.
🟠Считается, что Zn участвует в конденсации сперматозоидов и реакции акросомы, поскольку известно, что низкие концентрации Zn способствуют переключению на гиперактивную подвижность сперматозоидов в верхних отделах женского репродуктивного тракта.
🟠Zn в высоких концентрациях действовать как химиопрепарат для сперматозоидов, возможно, предотвращая полиспермию.
Таким образом, различные уровни Zn могут влиять на фертильность, зачатие и/или имплантацию эмбриона. Хотя Zn потенциально может выступать в качестве диагностического биомаркера и/или превентивного лечения мужского бесплодия, лишь в немногих исследованиях была изучена точная роль Zn в сперме человека.
✅Другие микроэлементы, такие как Se и Fe, считались важными для мужской фертильности, было показано
🟠селен является важным фактором мужского бесплодия, хотя большая часть исследований проводилась на животных. Известно, что этот элемент участвует в механизмах антиоксидантной защиты и модулирует апоптоз и пролиферацию клеток Лейдига, регулируя окислительный стресс.
🟠добавление Se и других микроэлементов, таких как Zn и марганец, в среду увеличивает количество сперматозоидов, связанных с zona pellucida, по сравнению с контролем.
🟠уровни железа и кальция (Ca) в семенной жидкости пациентов с астененотератозооспермией, тератолейкозооспермией, тератозооспермией ниже, чем у здоровых доноров. Высокие уровни железа, тем не менее, положительно коррелируют с несколькими аномалиями, включая низкое качество спермы, нарушение супероксиддисмутазы, индуцированное перекисное окисление липидов, повышенная концентрация лейкоцитов в сперме, так что можно обоснованно предположить, что оптимальный уровень этого фермента элемент обязателен.
🟠Zn и другие микроэлементы оказывают благотворное влияние на качество и функциональность спермы.
Несмотря на это, дальнейшие исследования, направленные на выяснение того, имеют ли эти элементы решающее значение для оплодотворения, предполагают дополнение рациона пациентов несколькими питательными веществами, включая Zn, Se и Fe, улучшающими качество спермы. Добавление Se в рацион повышает подвижность, жизнеспособность, а так же снижает фрагментацию ДНК у пациентов с астенотератозоопсермией. Таким образом, некоторые микроэлементы, такие как Zn, оказывают прямое воздействие на мужскую фертильность in vivo и что необходимы добавки.
✅Транспорт сперматозоидов по женскому репродуктивному тракту
прохождение сперматозоидов по женскому репродуктивному тракту строго регулируется, чтобы гарантировать, что только клетки с соответствующей морфологией и параметрами подвижности достигали яйцеклетки и оплодотворяли ее. По всему женскому тракту сперматозоиды подвергаются физическому стрессу в результате эякуляции, окислительного повреждения и иммунного ответа, а также сокращений в женском репродуктивном тракте. Существует ряд механизмов, способствующих поступлению к яйцеклетке только зрелых и правильно сформированных сперматозоидов, так же в маточных трубах создается определенный запас сперматозоидов, способных к оплодотворению определенное количество времени, что позволяет повысить шанс на беременность даже вне эякуляции в день овуляции.
Также выявлено, что сперматозоиды, сохраняющиеся в маточной трубы, генерируют транскриптомный ответ, модифицирующий экспрессию цитокинов, хемокинов и факторов роста в клетках маточной трубы, что приводит к снижению регуляции воспалительных молекул и последующему повышению иммунологической толерантности сперме. Точно так же некачественные сперматозоиды, такие как сперматозоиды с высокой фрагментацией ДНК, вызывают дифференциальную экспрессию факторов роста, повышенную воспалительную реакцию маточных труб, создавая патологическую среду для зачатия, оплодотворения и развития эмбриона.
Подводя итог, можно сказать, что сперматозоиды проходят через женский репродуктивный тракт отбираются в соответствии с их морфологией и параметрами подвижности, удерживаясь в маточной трубе целенаправленно подавляют женскую иммунную реакцию.
✅оплодотворение - это процесс, посредством которого мужские и женские гаметы сливаются, образуя диплоидную клетку. Для обеспечения надлежащего оплодотворения в яйцеводе должно произойти несколько событий:
❇️конденсация сперматозоидов,
❇️реакция акросомы,
❇️слияние гамет,
❇️активация ооцитов
❇️инициация развития эмбриона.
После оплодотворения свойства сперматозоида продолжают играть различную роль в процессе развития эмбриона. Оплодотворение яйцеклетки дефектным сперматозоидом может привести к задержкам различной степени в развитии эмбриона до имплантации. Исследования, проведенные в конце 1990-х годов, показали, что введение яйцеклетке микроинъекции фракций, относящихся к сперматозоиду, таких как головка или хвост, не позволяли им выжить после первых нескольких наборов митотических делений. Это подчеркивало важность структурной целостности сперматозоида для эмбрионального развития. С тех пор исследования дали представление о влиянии дефицита сперматозоидов на раннее развитие эмбриона и даже о последствиях, сохраняющихся после имплантации и приводящих к дефектам эмбриона и плода.
✅конденсация, реакция акросомы и слияние гамет
Как конденсация, так и реакция акросомы являются необходимыми процессами для оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом. Конденсация, которая происходит только у млекопитающих, состоит из нескольких изменений в мембране плазмы сперматозоидов и внутриклеточных компонентах, которые повышают чувствительность мужской гаметы к ооциту. Реакция акросомы позволяет сперматозоидам проходить через оболочку ооцита и проникать в прозрачную оболочку. После прохождения сперматозоидов через прозрачную оболочку белки сперматозоидов в экваториальной области, участвуют в связывании сперматозоидов с мембраной ооцита, затем мембраны гамет сливаются, и сперматозоид поглощается цитоплазмой ооцита. Предполагается также, что белки, обнаруженные на поверхности сперматозоидов, участвуют в оплодотворении яйцеклеток. Хотя механизмы, с помощью которых эти белки участвуют в оплодотворении, до сих пор неизвестны, сперматозоиды, лишенные их, являются бесплодными/субфертильными. Таким образом, необходимы дальнейшие исследования, чтобы понять сложный биохимический механизм, лежащий в основе слияния мембран гамет.
🟠активация яйцеклетки происходит при слиянии сперматозоида и яйцеклетки и включает возобновление второго мейоза и последующее начало эмбриогенеза. Он запускается набором периодических колебаний внутриклеточного кальция, которые индуцируются специфичным для сперматозоидов фактором. Сперматозоиды, которые не способны вызвать нормальный ритм кальциевых колебаний, связаны с неудачной или низкой способностью к оплодотворению.
🟠Центриоли являются органеллами, необходимыми для деления клеток, а также для формирования ресничек и жгутиков, и играют роль в организации цитоскелета клеток. Известно, что с помощью мужского пронуклеуса центриоли влияют на репродукцию человека. Сперматозоиды человека содержат две центриоли, расположенные в области шейки. Turner et al. (2021) разработали ратиометрический анализ центриолей сперматозоидов на основе флуоресценции для оценки качества центриолей у 33 пациентов; они обнаружили, что 79% высококачественных сперматозоидов у мужчин, сталкивающихся с бесплодием, имели дефектные центриоли. Таким образом, этот анализ может стать надежным методом выявления причин идиопатического бесплодия у супружеских пар в будущем. Кроме того, исследования аномального образования сперматозоидов указывают на то, что центриоли сперматозоидов, по-видимому, выполняют функцию организации цитоскелета зиготы, опосредуя миграцию пронуклеусов и расщепление клеток. Другие данные свидетельствуют о том, что центриоли сперматозоидов не требуются для деления зигот, но действительно участвуют в более поздних стадиях развития эмбриона у человека.
✅судьба митохондрий сперматозоидов
У млекопитающих митохондрии сперматозоидов отличаются от таковых в соматических клетках с точки зрения морфологии, распределения и биохимического состава
🟠Основная роль митохондрий сперматозоидов заключается в выработке АТФ путем окислительного фосфорилирования, обеспечивая таким образом сперматозоиды энергией, необходимой для их подвижности.
🟠Митохондрии участвуют в регуляции конденсации сперматозоидов.
🟠Во время спермиогенеза митохондрии сперматозоидов плотно обволакиваются дисульфидными мостиками и концентрируются в средней части.
🟠Митохондрии сперматозоидов также представляют специфические изоформы для некоторых белков и ферментов, таких как субъединица vlb цитохромоксидазы и креатинкиназы, митохондрии также являются важным источником АФК, которые необходимы для процессов конденсации, но в избытке они может способствовать повреждению митохондрий в результате окислительного стресса. Повреждение, опосредованное АФК, было связано с 30-80% случаев мужского бесплодия.
Отличительные особенности митохондрий, такие как митохондриальная ДНК, мембранный потенциал митохондрий и белки, могут быть использованы для оценки сперматозоидов. У людей специфичные для сперматозоидов мутации и перестройки мтДНК были связаны с плохим качеством сперматозоидов и бесплодием.
🟠высокое количество копий мтДНК было связано с плохим качеством сперматозоидов, а значит и более низкой вероятностью беременности, и увеличением времени до наступления беременности,
🟠низкое количество копий мтДНК было связано с нормальными параметрами спермы
🟠нарушение целостности мтДНК была связана с образцами спермы ненормального или пониженного качества.
🟠относительное количество копий мтднк в сперме является прогностическим показателем исходов ЭКО и ИКСИ.
Эти исследования показывают, что митохондриальные биомаркеры могут быть использованы для прогнозирования качества спермы как у мужского населения, так и у пациентов с бесплодием.
✅фрагментация днк сперматозоидов фрагментация ДНК сперматозоидов (sdf) представл представляет собой накопление одно- и двухцепочечных разрывов в геноме, что приводит к бесплодию и плохому развитию эмбрионов.
🟠внешние факторы привычки образа жизни, такие как питание, курение, ионизирующая радиация и длительные периоды воздержания; болезненные состояния, такие как диабет, рак, инфекции половых путей, варикоцеле; Также было установлено, что возраст является одним из наиболее важных факторов риска увеличения sdf у мужчин.
🟠внутренние факторы, которые могут индуцировать sdf, включают дефекты замены гистонов протеаминами, дефектную или неоптимальную упаковку хроматина, ферментативное расщепление, опосредованное нуклеазой, абортивный апоптоз,) и окислительный стресс.
В зависимости от степени sdf, яйцеклетка может не обладать достаточным клеточным механизмом для исправления всех повреждений, и остаточные аберрации ДНК могут передаваться зиготе. Следовательно, последующие репликации эмбриональной ДНК, вероятно, увеличат мутационную нагрузку эмбриона.
Несколько исследований связали неудачно восстановленный sdf с негативным воздействием на раннее развитие эмбриона путем изменения морфокинетики эмбриона и стабильности генома. Исследования связывают sdf с более высокой частотой выкидышей при естественных беременностях, а мета-анализы выявили отрицательное влияние корреляция между показателями рождаемости и sdf, в частности, Ribas- maynou et al. (2021) проанализировали 78 исследований, включавших более 25 000 циклов ЭКО, ИКСИ или того и другого вместе, чтобы оценить влияние sdf на развитие эмбрионов; 66% исследований показали, что повреждение ДНК сперматозоидов отрицательно сказалось на показателях оплодотворения, качества эмбриона и образование бластоцисты, другие мета-анализы, а также американское общество репродуктивной медицины, сообщили, что не было выявлено отрицательного воздействия sdf человека на клиническую беременность. Возможной причиной расхождений между исследованиями может быть то, что последствия повреждения ДНК различаются в зависимости от типа анализа, используемого для измерения фрагментации ДНК. Например, анализ comet демонстрирует наиболее сильную связь между качеством эмбриона и повреждением ДНК, поскольку это наиболее чувствительный анализ. Саймон и др. использовали анализ comet, чтобы показать, что sdf, связанный со снижением качества эмбрионов, содержал более 52% sdf.
В других исследованиях наблюдалась отрицательная корреляция, когда анализ tunel использовался для оценки влияния повреждения ДНК на развитие бластоцист и частоту наступления беременности. Более того, мета-анализ, проведенный Ribas-maynou et al, показал различия между используемыми методами ВРТ; фактически, в немногих исследованиях сообщалось, что ИКСИ показывает какую-либо значимую отрицательную корреляцию, тогда как многие показали отрицательную корреляцию при использовании ЭКО.
Что касается степени фрагментации ДНК, то высокий sdf коррелирует с неудачей оплодотворения после ЭКО и ИКСИ, низким качеством эмбрионов и выкидышами. Некоторые исследования связывали умеренный или низкий sdf с задержкой развития эмбриона после активации эмбрионального генома, в то время как другие не наблюдали негативного влияния на бластуляцию или частоту наступления беременности при низком sdf.
В целом, результаты, касающиеся влияния sdf на динамику ранних эмбрионов и клинические исходы, остаются противоречивыми. Множество исследований подтверждают тесную связь между sdf и пагубным воздействием на здоровье потомства. Это случаи, когда сперматозоиды с sdf успешно оплодотворяют яйцеклетку, но эта яйцеклетка, в свою очередь, не способна успешно устранить все повреждения. Недостаточное восстановление аберраций ДНК сперматозоидов перед первым митотическим делением потенциально может привести к повышенной мутагенной нагрузке у потомства. Таким образом, в ВРТ следует предусмотреть внедрение измерений sdf в рутинную клиническую практику для прогнозирования фертильности и избегать использования спермы с sdf, чтобы ограничить ее негативное воздействие на здоровье потомства.
✅Анеуплоидия
большинство зарегистрированных случаев эмбриональной анеуплоидии являются результатом материнских факторов, однако отцовские факторы иногда могут играть роль в трисомии половых хромосом. Макроцефальные сперматозоиды, сперматозоиды с более чем одним ядром, тератозооспермические сперматозоиды с плохой морфологией и олигоастенотератозооспермия - сперматозоиды с плохой подвижностью, плохой морфологией и низким количеством - коррелируют с анеуплоидией, однако было обнаружено, что плохая подвижность сперматозоидов сама по себе не вызывает различий в показателях анеуплоидии. Таким образом, повышенные аномалии сперматозоидов имеют более высокие шансы привести к эмбриональной анеуплоидии, кроме того, как и ожидалось, высокие уровни аномалии сперматозоидов отрицательно коррелирует с частотой имплантации и наступления беременности в циклах ВРТ.
✅эпигенетика и отцовская РНК эпигенетика - это регуляция экспрессии генов без какого-либо изменения последовательности ДНК. Вопреки предыдущему мнению, было показано, что как отцовские, так и материнские факторы, специфичные для ранних эмбрионов, участвуют в общегеномном перепрограммировании эпигенетических маркеров, таких как метилирование ДНК, модификации гистонов и доступность хроматина. Эпигеном сперматозоидов состоит из комбинации ДНК-ассоциированных белков, уникального профиля метилирования ДНК, микрорнк и piwi-взаимодействующие РНК, негистонового/непротаминового распределения нуклеосом и сохраненных модификаций гистонов.
модификации гистонов гистоны подвергаются нескольким формам химических изменений для регуляции экспрессии генов. Эти изменения включают метилирование, убиквитинирование, фосфорилирование и ацетилирование. Чтобы достичь необходимого уровня уплотнения ядер, необходимого для функционирования сперматозоидов, большинство гистонов сперматозоидов заменяются протаминами в процессе спермиогенеза млекопитающих; это регулируется белками ядерного перехода. Остальные гистоны - 10-15% у людей - переходят в гистоновый протеамин и продолжают нести эпигенетические сигнатуры в яйцеклетке после оплодотворения. Эти эпигенетические метки впоследствии наследуются эмбрионом, регулируют экспрессию генов и помогают контролировать конденсацию гетерохроматина.
🟠мутации в этих гистонах коррелировали с измененным эмбриогенезом у людей.
🟠Дефект в ферментах может приводить к мужскому бесплодию, остановке развития на стадии зиготы, гибель предимплантационных эмбрионов, и плохую конденсацию хроматина
✅метилирование ДНК - это еще одна эпигенетическая модификация, которая регулирует экспрессию генов.
🟠удаление и добавление метилирования ДНК сперматозоидов специально рассчитано во время сперматогенеза и развития эмбриона; примечательно, что любые отклонения были связаны с повторными выкидышами и низким качеством эмбрионов.
🟠Избыточное метилирование связано с развитием эмбриональных карцином, которые могут закончиться выкидышем.
Функция МРНК, присутствующих в сперматозоидах, еще не полностью понята, но были выдвинуты различные гипотезы.
❇️Возможно, эти МРНК сперматозоидов не выполняют никакой функции и являются просто остаточными.
❇️С другой стороны было показано, что аномалии импринтинга вызывают проблемы, связанные с повреждением эмбриона, иногда приводя к врожденным синдромам, таким как синдром Ангельмана, синдром Прадера-Вилли или синдром Беквита-Видеманна.
❇️Изменения в паттернах метилирования сохраненных гистоновых cpg-островковых областей ДНК сперматозоидов были связаны не только с пациентами с олигозооспермией и бесплодием, но и с нормозооспермией, приводящей к плохому качеству эмбрионов. Поскольку было обнаружено, что гены, связанные с эмбриональным развитием этих областей cpg, сохраняющих гистон, демонстрируют сниженное метилирование в сперме мужчин, которые давали плохо развитые эмбрионы, изменения указанных генов могут способствовать низкой фертильности мужчин.
❇️партнеры мужчин с дефектами метилирования имеют более высокие показатели повторных выкидышей. Это может быть результатом повышенного окислительного стресса, вызванного тем, что приводит к фрагментации и повреждению бластоцист.
❇️технологии секвенирования следующего поколения (ngs) также позволили секвенировать мРНК сперматозоидов человека, чтобы помочь идентифицировать биомаркеры бесплодия. В недавнем исследовании ngs был проведен анализ транскриптома сперматозоидов 12 мужчин, и была обнаружена большая доля транскриптов, обогащенных процессами, связанными с эмбриогенезом, в частности связанных с рецидивирующим бесплодием.
✅некодирующаяРНК в дополнение к РНК, кодирующим белки, участвует в регуляции нескольких физиологических процессов таких как предимплантационное развитие эмбриона при оплодотворении.
Уровни микрорнк изменяются во время созревания в придатке яичка. Оплодотворение спермой на разных стадиях созревания, например тестикулярной или хвостовой, оказывает различное влияние на развитие, что позволяет предположить, что микроРНК могут играть важную роль в регуляции раннего эмбрионального развития. Это важный фактор, который следует учитывать при проведении ЭКО или ИКСИ со сперматозоидами, обнаруженными в хвостовом придатке яичка, содержащими смесь сперматозоидов, полученных в результате экстракции яичек, аспирации сперматозоидов из яичка или микрохирургической аспирации сперматозоидов из придатка яичка.
✅Протеомика
Протеомный вклад мужского фактора в развитие раннего эмбриона остается предметом активных исследований. Морфологическая природа сперматозоида, определение того, является ли белок сперматозоида вовлеченным в развитие эмбриона или просто остатком сперматогенеза, является сложной задачей. Тем не менее, было показано, что многочисленные белки сперматозоидов способствуют развитию эмбрионов. В мета-анализе, проведенном Castillo et al. (2018), был исследован вклад всех известных белков млекопитающих в ранний эмбрион и идентифицировано 103 белка, участвующих в оплодотворении, и 93 белка, участвующих в предимплантационном развитии.
🟠Во время предимплантационного развития белки, переносимые сперматозоидами, играют важную роль в эмбриональных делениях (до восьмиклеточной стадии) и развитии бластоцист.
🟠Другим важным аспектом протеомики является ее потенциальное использование для идентификации биомаркеров мужского бесплодия. Многочисленные исследования показали, что протеом сперматозоидов бесплодных мужчин отличается от протеома фертильных мужчин.
🟠в дополнение к содержанию белка следует отметить, что низкая активность некоторых ферментов в сперме может нарушать развитие эмбриона на 5-й день после оплодотворения.
Изучение факторов, связанных со сперматозоидами позволило более эффективно бороться с мужским бесплодием, в том числе методами ВРТ.
Такие методы лечения, как ИКСИ, позволяют обойти мужской фактор и подарить женщине долгожданный подарок - ребенка, но влияет ли это на целостность сперматозоидов?
❗В настоящий момент имеются достаточно тревожные данные по результатам ВРТ❗
❇️наличие дефектов метилирования ДНК более чем у 20% эмбрионов, полученных в результате ВРТ, 41% из которых имели аномалии, обусловленные наследственным метилированием от отца.
❇️синдромы, возникающие в результате ошибок импринтинга, такие как синдром Ангельмана, чаще встречаются у детей, рожденных с помощью ЭКО, что, вероятно, связано с чувствительностью гамет к условиям in vitro.
❇️дети мужского пола, рожденные в результате ИКСИ, могут подвергаться более высокому риску либо недостаточной фертильности, либо развития других врожденных пороков развития.
Таким образом, остается вопрос: учитывая то, что известно об отцовских факторах, связанных с развитием эмбриона, действительно ли процесс обхода аномалий сперматозоидов для достижения конечного результата передачи генов стоит того, чтобы рисковать долгосрочным здоровьем ребенка и, возможно, последующими поколениями❓
Заключение в этом обзоре были изучены функции спермы в репродуктивном тракте при оплодотворении и на ранних стадиях развития.
❗Выявлено, что в отличие от прежних представлений, семенная жидкость и сперматозоиды делают гораздо больше, чем просто переносят отцовский гаплоидный геном в яйцеклетку. Недавние исследования принесли новые идеи о том, как сперма регулирует развитие и имплантацию с помощью семенной жидкости, центриоли сперматозоида, белков и транскриптов, а также эпигенетических меток.
❗Аналогичным образом, исследования фрагментации ДНК сперматозоидов пролили свет на негативные клинические последствия повреждения ДНК и подтолкнули к внедрению рутинного тестирования ДНК сперматозоидов у пациентов с бесплодием.
❗Дальнейшие результаты иллюстрируют, как дифференциальная мтДНК, протеомная экспрессия и фрагментация ДНК сперматозоидов могут быть использованы в качестве потенциальных биомаркеров для оценки репродуктивной способности сперматозоидов.
В целом, текущие данные указывают на определенную необходимость дальнейших исследований отцовской роли в раннем развитии эмбриона и более пристального внимания к тому, как отцовские факторы влияют на клинические исходы и их последствия для развития эмбриона и будущего потомства.
