Фрагментация ДНК в сперматозоидах

Высокая фрагментация ДНК сперматозоидов может быть одной из причин нарушения мужской фертильности. Это явление открыто совсем недавно. Раньше такую форму бесплодия относили к идиопатической, то есть с неустановленным механизмом. Сегодня ученые приблизились к пониманию того, почему у мужчин с относительно нормальными показателями спермограммы не удается реализовать фертильные планы. Зачастую у партнерши беременность наступает, но при этом прерывается на ранних этапах развития. И такая ситуация, как правило, повторяется неоднократно.

Что такое фрагментация ДНК сперматозоидов?

Генетический материал от клетки к клетке передается с помощью ДНК, определенные последовательности которой кодируют конкретные белки. ДНК – это большая молекула, состоящая из 2 нитей. В трехмерном пространстве они тесно переплетены друг с другом и закручены по спирали. Однако в этих нитях (в одной или 2 сразу) могут возникать разрывы, то есть образуются фрагменты. Этот процесс и называется фрагментацией, при этом нарушается правильная передача генетического материала. Выявление фрагментации ДНК в сперматозоидах может помочь определить причины нарушенной фертильности у мужчины.

Причины фрагментации

До сих пор ученым не удалось выяснить, почему происходит ДНК фрагментация ядра сперматозоидов. Предполагают, что причиной этого патологического процесса могут быть:

• дефекты ремоделирования хроматина – способа «упаковки» генетического материала;
• апоптоз (запрограммированная клеточная гибель);
• окислительный стресс (образование радикалов, имеющих свободный электрон, который и может повреждать здоровые структуры).

ДНК сперматозоидов имеет особую организацию, которая отличает ее от других клеток. ДНК в мужских половых клетках очень компактно «упакована», чтобы быть устойчивой и менее подверженной повреждению. За «упаковку» ДНК отвечают 2 класса белков – гистоны и протамины, причем на долю последних в сперматозоиде приходится до 90%. В соматических клетках соотношение гистонов и протаминов обратное. Это явление и объясняет, почему объем ядра сперматозоида в 6 раз меньше, чем объем ядра любой соматической клетки. Гистоны в сперматозоидах расположены не случайным образом: они локализованы в тех последовательностях ДНК, которые должны быть сразу же после оплодотворения «считаны», т.к. определяют раннее эмбриональное развитие. Нарушение соотношения гистонов и протамином может делать ДНК более подверженной повреждениям.

Ремоделинг хроматина, который сопровождается раскручиванием нитей ДНК, приводит к возникновению одно- или двухцепочных разрывов. Затем происходит процесс конденсации («упаковывания») хроматина, и количество разрывов увеличивается. Однако в организме существует система репарации. Особые ферменты «вырезают» неправильные участки, а затем система лигирования их «сшивает», делая нить ДНК целостной. Но у некоторых мужчин эти процессы могут быть нарушены. Невосстановленные разрывы ДНК, которые возникают в процессе ремоделирования хроматина, являются одним из главных источников того, что фрагментация ДНК сперматозоидов повышена. Наличие фрагментированных участков указывает на то, что процесс созревания мужской половой клетки не завершился должным образом.

В качестве другой причины рассматривается апоптоз. Время жизни каждой клетки определено генетическим кодом. Так, в норме примерно 75% предшественников сперматозоидов погибают. Погибшие клетки либо выходят в семенные канальцы, либо поглощаются особыми клетками под названием Сертоли. Если имеются нарушения сперматогенеза, то количество сперматозоидов, вступающих в апоптоз, возрастает. Часть этих клеток попадает в сперму, а наличие фрагментации ДНК указывает на начало гибели.

В последнее время все больше ученых сходятся к мнению, что повышенный уровень ДНК фрагментации сперматозоидов возникает в условиях окислительного стресса. Это процесс повреждения клетки, который вызван чрезмерно высокой концентрацией свободных радикалов. В особенности опасны активные формы кислорода, мишенью которых становится ДНК сперматозоидов. В результате в макромолекуле появляются разрывы. В клетках организма, за исключением сперматозоидов, в цитоплазме содержится антиоксидантная защита, при достаточной активности которой свободные радикалы ингибируются. Однако сперматозоид практически лишен этого механизма, т.к. основу его клетки составляет ядро, а объем цитоплазмы минимален. Антиоксидантная защита спермия зависит от уровня антиоксидантов в секрете половых путей. Если этих веществ мало, развивается окислительный стресс, увеличивается количество разрывов ДНК в сперматозоидах, и как следствие – снижается мужская фертильность. 

Степень фрагментации ДНК сперматозоидов определяется также образом жизни, особенностями генетики и воздействием неблагоприятных факторов среды.

Показания к анализу

Определение степени фрагментации ДНК сперматозоидов рекомендуется выполнить в следующих случаях:

• первичное и вторичное бесплодие у мужчин;
• наличие невынашивания беременности, особенно при 2 и более подряд эпизодах;
• неоднократные случаи замершей беременности;
• неудачные попытки ЭКО;
• отсутствие в анамнезе и по данным обследования явных причин мужского бесплодия: аномалий кариотипа и непроходимости семявыносящих путей.

Типы тестов и подготовка к исследованию

Существует несколько методов исследования фрагментации ДНК сперматозоидосв:

• TUNEL – это самый часто используемый анализ ДНК фрагментации сперматозоидов, который отличается высокой информативностью. Проводится прямое мечение разрывов ДНК специальным красителем (флюорохромом) и измерение интенсивности люминесценции.
• COMET – электрофорез единичных клеток.
• Halosperm – проводится окраска толуидиновым синим с оценкой светящегося ореола вокруг клетки в световом микроскопе.
• SCSA – окрашивание акридиновым оранжевым с последующей микроскопической оценкой.

Подготовка к анализу ДНК фрагментации сперматозоидов предполагает со стороны пациента половое воздержание (обычно 2-3 дня), исключение алкоголя, табакокурения и чрезмерных физических нагрузок.

Как проводится анализ

Спермограмма с ДНК фрагментации сперматозоидов TUNEL предполагает сдачу сперму по стандартной методике. Лаборант наносит мазки эякулята на предметное стекло, а затем обрабатывают и окрашивают для идентификации ДНК. Визуальную оценку содержания сперматозоидов с ДНК проводят с помощью микроскопа.

Расшифровка фрагментации ДНК сперматозоидов

• Норма ДНК фрагментации сперматозоидов – менее 15%. Низкое содержание сперматозоидов с фрагментацией ДНК исключает отцовские нарушения генетического материала в качестве потенциальной причины бесплодия или невынашивания беременности.
• Пограничный результат фрагментации ДНК сперматозоидов – 15-27%. В этой ситуации требуется дополнительное обследование с соблюдением рекомендаций по подготовке.
• Высокое значение – количество сперматозоидов с фрагментированной ДНК превышает 27-30%.

Лечение фрагментации ДНК сперматозоидов

Лечение фрагментации ДНК сперматозоидов основано на применении антиоксидантов. Это специальные витаминно-минеральные комплексы для мужчин. Они содержат витамин Е, С, железо и другие компоненты антиоксидантной системы.

Если же на фоне консервативной терапии строение ДНК сперматозоидов не улучшается, то показано проведение ЭКО. Репродуктолог отбирает те спермии, которые имеют правильную «анатомию». Именно они соединяются с яйцеклеткой для зарождения новой жизни.

Последствия и опасность высокой ДНК-фрагментации

Чем больше в мужской половой клетке одно- и двухцепочных разрывов ДНК, тем более поврежденным является генетический материал. Однако даже сперматозоиды с большим количество фрагментаций ДНК могут приводить к оплодотворению яйцеклетки. Однако в последующем развитие эмбриона может быть нарушено. Чаще всего это проявляется прерыванием беременности (самопроизвольный выкидыш или неразвивающаяся беременность).

Повышенная фрагментация ДНК сперматозоидов (более 30% спермиев имели разрывы нитей ДНК) может быть ассоциирована с плохими результатами применения методов вспомогательной репродукции. Так, в исследованиях было показано, что если такие спермии использовались в цикле ЭКО и ИКСИ (интрацитоплазматическая инъекция сперматозоидов), то в одних случаях частота наступления беременности была невысокой, а в других – повышалась частота встречаемости невынашивания беременности.

Высокий индекс фрагментации ДНК сперматозоидов, как правило, ассоциирован с неправильным формированием бластоцисты (структура, которая образуется через несколько часов после соединения сперматозоида с яйцеклеткой) и нарушением процесса имплантации (внедрения бластоцисты в слизистую оболочку матки). Оплодотворение у мужчин с повышенным содержанием сперматозоидов с фрагментацией ДНК обычно не страдает. Беременность наступает, но последующая программа ее развития нарушена.

Изменение целостности ДНК сперматозоидов может служить причиной появления врожденных пороков и генетических заболеваний плода. Если яйцеклетка имеет нормальное строение, но при этом оплодотворена фрагментированным сперматозоидом, то около 8% повреждений могут быть восстановлены. Однако восстановление с ошибками может приводить к появлению мутаций. Примерно 80% структурных перестроек хромосом, возникших вновь, имеют отцовское происхождение. У детей, которые рождены от отцов с большим количеством фрагментированных сперматозоидов, частота раковых заболеваний в раннем детском возрасте может быть повышена в 4-5 раз.

Ответы на популярные вопросы

• Помогает ли стандартная спермограмма в оценке фрагментации ДНК сперматозоидов?

Нет, она не показывает эти нарушения. Рекомендованные Всемирной организацией здравоохранения критерии оценки качества эякулята (концентрация, подвижность и морфология сперматозоидов) не имеют четкой зависимости между частотой фрагментации ДНК. Сперматозоид, оцененный как «морфологически нормальный», может иметь поврежденную ДНК, и наоборот. Для определения показателя целостности ДНК требуется специальный анализ.

• Где можно провести тест на фрагментацию ДНК сперматозоидов?

Это узкоспециализированное обследование выполняется в Центре репродуктивного здоровья «СМ-Клиника». Центр оснащен современным оборудованием и тест-системами оригинального производства. Цену анализа можно посмотреть на сайте клиники.