Полный текст

Факторы нарушения репродуктивных функций включают генетическую предрасположенность, нарушение функции митохондрий, геномную нестабильность, окислительный стресс, снижение метаболической активности и др. Митохондриальные аномалии или мутации способствуют репродуктивному старению, а также возникновению возрастных патологий, таких как инсулинорезистентность и сахарный диабет 2-го типа, нарушения липидного обмена и гипертония. Наследование дисфункциональных материнских митохондрий может увеличить риск развития заболеваний у взрослых в более позднем возрасте. Сегодня всё большее внимание учёные мира уделяют инновационным методам охраны репродуктивного здоровья, раннему выявлению его нарушений и своевременной коррекции, в том числе вопросам сниженных репродуктивных возможностей организма, бесплодия, дисфункции яичников. Дисфункция яичников представляет собой многогранную проблему. Методы её лечения включают инъекции в яичники с использованием богатой тромбоцитами плазмы или стволовых клеток, использование искусственных гамет и яичников, трансплантацию яичников и заместительную митохондриальную терапию. В контексте внедрения новых методов лечения рассматриваются вопросы биологических механизмов, уровня инвазивности, эффективности лечения и возможных осложнений, оценки состояния организма, биоэтические проблемы [1]. Митохондрии, присутствующие почти во всех эукариотических клетках и вносящие вклад во многие другие важные клеточные функции, находятся в фокусе внимания многих современных исследований в области репродуктивного здоровья [2-6]. Митохондрии выполняют множество функций, включая синтез аденинтрифосфата, производство активных форм кислорода (АФК), передачу сигналов кальция, термогенез и апоптоз, играют важную роль в клетке. Благодаря функции дыхания митохондрии подвергаются постоянному окислительному стрессу, который может повредить одну из уникальных особенностей этой органеллы - её особый геном. Повреждение митохондриальной ДНК (мтДНК) и потеря целостности митохондриального генома играют роль в развитии как тяжёлых заболеваний с ранним началом, так и хронических заболеваний, связанных с возрастом. Исследователями придаётся приоритетное значение вопросам изучения процессов, с помощью которых поддерживается целостность мтДНК, а также проблематика восстановления окислительных повреждений ДНК и клеточных последствий снижения стабильности митохондриального генома [3]. Митохондрии, играющие фундаментальную роль в развитии женской линии наследования, вовлечены в проблематику женского бесплодия. Накапливаются доказательства того, что митохондриальные дисфункции являются основной причиной образования анеуплоидий у людей. Мутации в мтДНК, приводящие к дисфункции митохондрий, имеют отношение к большому спектру заболеваний, включая нарушения фертильности. В последнее время митохондрии считаются важным фактором оценки качества ооцитов и эмбрионов. Одной из уникальных характеристик митохондрий является то, что у них есть собственный геном, который передаётся от матери только через высокоспецифические механизмы, возникающие во время гаметогенеза и эмбриогенеза. Зрелый ооцит имеет наибольшее количество копий мтДНК среди всех клеток, и эта митохондриальная масса напрямую связана со способностью ооцита поддерживать ранние стадии развития эмбриона у многих видов. Тонкие энергетические и метаболические модификации, необходимые для каждого из ключевых этапов раннего эмбрионального развития, во многом обусловлены митохондриальной нагрузкой и активностью ооцита. Например, эпигенетическое репрограммирование зависит от метаболических кофакторов, продуцируемых митохондриальным метаболизмом, а АФК, происходящие из дыхательной цепи митохондрий, важны для регуляции клеточной передачи сигналов в эмбрионе. Все эти элементы также побудили учёных рассматривать митохондрии как потенциальный биомаркер компетентности ооцитов и жизнеспособности эмбрионов, а также как ключевую цель для будущих потенциальных методов лечения [2]. Cтресс может влиять на репродуктивную способность лактирующих коров, воздействуя на пул фолликулов яичников и заключённых в них ооцитов. Среди факторов стресса выделяют тепловой стресс, а именно высокий индекс температуры-влажности, а также токсины окружающей среды и пищевые токсины. Данные свидетельствуют о том, что вызванное стрессом нарушение развития ооцитов включает изменения в функционировании митохондрий. Известно, что внутри ооцита митохондрии участвуют в генерации АТФ, гомеостазе кальция, регуляции цитоплазматического восстановления-окисления, передачи сигнала и апоптоза. Тепловой стресс тесно связан с изменениями распределения митохондрий и изменениями мембранного потенциала митохондрий, нарушает экспрессию митохондриальных генов, в частности генов, связанных с транскрипцией и репликацией митохондриальной ДНК и кодирующих комплексы окислительного фосфорилирования для производства АТФ. Предполагается, что снижение уровня АТФ ниже требуемого порога ставит под угрозу прогрессирование созревания ооцитов и, как следствие, эмбриональное развитие. Другой механизм, связанный с функцией митохондрий, - это увеличение количества АФК, которое было зарегистрировано в ооцитах, подвергшихся тепловому стрессу или воздействию токсичных веществ из окружающей среды. Окислительное фосфорилирование в митохондриях является основным источником АФК. В физиологических условиях АФК необходимы для созревания ядра, нарушение равновесия между производством АФК и антиоксидантной способностью может привести к повреждению ДНК и апоптозу. К возможным способам смягчения воздействия стресса на митохондрии, таким как включение кофермента Q10 - ключевого компонента митохондриальной дыхательной цепи, относят введение антиоксидантов и здоровых митохондрий. Изучение клеточных и молекулярных ответов ооцитов, в частности митохондрий, может привести к разработке новых стратегий смягчения воздействия различных стрессоров на фертильность [7]. В последние годы заметно возросло внимание к митохондриальным нарушениям человека ввиду особой разрушительной роли генетических дефектов митохондриального генома в состоянии здоровья. мтДНК у большинства эукариот наследуется по материнской линии, при этом отцовская мтДНК удаляется из эмбриона с помощью различных механизмов. Следовательно, мутации мтДНК, приобретённые в зародышевой линии женщины, могут ухудшить фертильность и/или приводить к тяжёлым (и даже смертельным) заболеваниям у её потомства. Обнаружена взаимосвязь между митохондриальной дисфункцией, старением и фертильностью, что предполагает развитие практик скрининга и диагностики митохондриальных дефектов у доимплантационных эмбрионов, а также использование заместительной митохондриальной терапии для предотвращения передачи наследственных по материнской линии митохондриальных заболеваний [8]. Митохондрии и мтДНК со временем могут быть повреждены, что может быть одной из причин бесплодия в связи со старением. Мутации в мтДНК, вызывающие митохондриальную дисфункцию, также могут приводить к тяжёлым заболеваниям, которыми страдает примерно 1 человек из 4300. Более того, очень низкие уровни мутированной мтДНК, по-видимому, присутствуют у каждого человека. Они могут увеличиваться со временем и ассоциироваться с дегенеративными заболеваниями с поздним началом, такими как болезни Паркинсона и Альцгеймера, а также некоторые распространённые виды рака. Мутации в мтДНК, передающиеся по материнской линии, недостаточно полно изучены в отношении особенностей наследования. Недавние открытия показали наличие в женской зародышевой линии некоего очищающего фильтра против вредных вариантов мтДНК. Основной механизм этого фильтра в значительной степени неизвестен, и исследователями было предложено полагаться на аутофагическую деградацию дисфункциональных митохондрий или избирательную репликацию/передачу не вредных вариантов. Таким образом, понимание механизмов, регулирующих наследование митохондрий, представляет особый научный интерес в плане улучшения диагностики и разработки терапевтических инструментов для предотвращения передачи заболеваний, кодируемых мтДНК преимущественно по женской линии [5]. мтДНК кодирует жизненно важные белки и РНК для нормального функционирования митохондрий. Поскольку мтДНК претерпевает довольно сложные процессы во время гаметогенеза и оплодотворения, выяснение изменений и функций мтДНК и её существенного влияния на качество гамет и фертильность в ходе этого процесса имеет большое значение. Благодаря появлению и быстрому развитию технологии редактирования генов, были сделаны прорывы в редактировании митохондриального генома, что открывает большие перспективы для лечения заболеваний, связанных с мтДНК [6]. Имеющаяся литература по митохондриям в сперматозоидах обширна и в некоторых случаях противоречива. С учётом того, что митохондрии лишь косвенно участвуют в цитоплазматической наследственности, понимание функции митохондрий сперматозоидов и её корреляции с качеством спермы может дать дополнительное понимание их вклада в оценку бесплодия мужчины. Митохондрии играют центральную роль в метаболизме сперматозоидов и участвуют в выработке энергии, окислительно-восстановительном равновесии и регуляции кальция, а также в путях апоптоза, которые необходимы для подвижности сперматозоидов и слияния гамет. Во многих случаях изменения одной из вышеупомянутых функций могут быть связаны со снижением качества спермы и/или бесплодием. Связь между митохондриальным геномом и качеством сперматозоидов оказывается более сложной. Хотя количество мтДНК и наличие в ней крупномасштабных делеций обратно коррелируют с качеством сперматозоидов, эффекты мутаций кажутся гетерогенными и, в частности, связаны с их патогенностью. В последнее время появляются работы, которые подчёркивают значимую роль митохондрий в воспроизводстве, и особенно в качестве гамет [9]. Функциональность митохондрий и потенциал интактной митохондриальной мембраны являются предпосылками подвижности сперматозоидов, гиперактивации, ёмкости, активности акрозина, реакции акросомы и целостности ДНК. Дефекты митохондриальной функции сперматозоидов серьёзно нарушают поддержание производства энергии, необходимой для подвижности сперматозоидов, и могут быть основной причиной астенозооспермии. мтДНК сперматозоидов подвержена окислительному повреждению и мутациям, которые могут нарушить функцию сперматозоидов и привести к бесплодию. Кроме того, самцы с аномальными параметрами спермы имеют увеличенное количество копий мтДНК и сниженную целостность мтДНК [4]. В последнее время ведутся серьёзные споры о том, может ли передача отцовской мтДНК сосуществовать с передачей мтДНК от матери. Были рассмотрены вопросы идентификации 3 неродственных мультигенерационных уровней с высоким уровнем гетероплазмии мтДНК (24-76%). Исследование сегрегации мтДНК у 17 человек показывает передачу мтДНК от двух родителей с аутосомно-доминантным типом наследования. Результаты предполагают, что, хотя центральная догма о наследовании мтДНК по материнской линии остаётся в силе, существуют некоторые исключительные случаи, когда отцовская мтДНК может быть передана потомству. Выяснение молекулярного механизма этого необычного способа наследования позволит по-новому взглянуть на то, как мтДНК передаётся от родителей к потомству, и может даже привести к разработке новых путей терапевтического лечения передачи патогенной мтДНК [10]. Приводится несколько цепочек доказательств, которые ставят под сомнение догму о том, что мтДНК человека наследуется исключительно по материнской линии. В работе сообщается о генетической сигнатуре у 7 из 11 035 семей (обоих родителей и ребёнка) с аллельными фракциями 5-25%, что подразумевает наследование от двух родителей мтДНК у 0,06% потомства. Однако, анализируя последовательность ядерного генома, W. Wei и соавт. обнаружили большие редкие или уникальные ядерно-митохондриальные сегменты ДНК (мега-NUMT), переданные от отца, в 7 семьях [11]. Независимо обнаружены мега-NUMT у 0,13% отцов, что подразумевает аутосомную передачу гаплотипа. Также в работе [11] показано, что фракция аллелей гаплотипов может быть объяснена сложными конкатенированными последовательностями, происходящими от мтДНК, перегруппированными в ядерном геноме. Авторы сделали вывод, что редкие скрытые мега-NUMT могут напоминать отцовскую гетероплазмию мтДНК, но точных доказательств отцовской передачи мтДНК у людей не обнаружено [11]. Нарушения обмена веществ у матери, такие как ожирение и сахарный диабет 2-го типа, связаны с гиперлипидемией и повышенными концентрациями свободных жирных кислот в фолликулярной жидкости яичников. Созревание ооцитов в этих липотоксических условиях приводит к повышению уровня окислительного стресса, митохондриальной дисфункции, снижению компетентности в развитии ооцитов и неудачным результатам экстракорпорального оплодотворения. Выявлено, что добавление митохондриального антиоксиданта митохинона в среду для культивирования эмбрионов снижает окислительный стресс и предотвращает разобщение митохондрий у эмбрионов, полученных из метаболически нарушенных ооцитов in vitro, что приводит к более высокому уровню бластоцист и снижению апоптоза бластомеров. W. F. A. Marei и соавт. полагают, что человеческие ооциты, собранные для проведения экстракорпорального оплодотворения у пациентов с материнскими метаболическими нарушениями, уязвимы к липотоксичности и окислительному стрессу во время созревания in vivo. Результаты работы позволяют предположить, что митохондриальная таргетная терапия, такая как использование митохинона, во время культивирования эмбрионов может улучшить качество ооцитов, проявляющих митохондриальную дисфункцию и окислительный стресс. Такой подход может быть полезным для успешности экстракорпорального оплодотворения у бесплодных пациентов с метаболическими нарушениями [12]. Здоровый режим питания и добавление питательных веществ, особенно в период до зачатия, могут быть полезны для рождения ребёнка, хотя задействованные механизмы полностью не изучены. Эндокринная система и аппарат ооплазматических органелл, в частности митохондрии, несомненно, являются ключевыми элементами во время оогенеза и последующего развития эмбриона, и их правильное функционирование связано с питанием. В нескольких исследованиях на животных сообщалось о различных побочных эффектах на митохондрии, вызванных несбалансированным питанием, включая потребление продуктов питания с высоким содержанием жиров и сахара, с низким содержанием белка. Потребление различных продуктов питания с разным составом макроэлементов влияет на активность митохондрий ооцитов в кратко-, средне- и долгосрочной перспективе. Питание может влиять на внутриклеточное распределение митохондрий, их содержание, структуру, биогенез и функционирование [13]. Дисфункция ооцитов, связанная со старением, становится всё более насущной медицинской и экономической проблемой современного общества, где женщины откладывают создание семьи. Более полное понимание роли митохондрий в случаях бесплодия, связанного со старением яичников, имеет особое значение для лечения этого расстройства. Существует большая индивидуальная вариабельность старения яичников. Нередко у пациенток, обращающихся по поводу бесплодия, наблюдаются признаки преждевременного старения яичников, при котором вспомогательные репродуктивные технологии часто неэффективны. Старение яичников характеризуется количественным и качественным изменением резерва ооцитов. Митохондрии играют центральную роль в атрезии фолликулов и могут быть основной мишенью ооплазматических факторов, определяющих качество ооцитов, на которое негативно влияет старение. Ооцит является самой богатой митохондриями клеткой тела и во многом зависит от этих органелл, чтобы обрести способность к оплодотворению и раннему эмбриональному развитию. Более того, ооцит обеспечивает наследование от одного родителя и стабильность митохондриального генома через поколения. Созревание ооцитов, которое запускается лютеинизирующим гормоном in vivo или инъекцией хорионического гонадотропина человека, является важнейшим этапом, на котором возникает большинство анеуплоидий яйцеклетки. В свете возрастающего интереса к вопросам выявления веществ в качестве средства против бесплодия исследователями рассматривается проблематика способов решения фундаментальной проблемы старения ооцитов, повышения уровня анеуплоидии яиц и снижения потенциала развития яиц [14]. Функция митохондрий снижается во время старения из-за накопления вредных митохондриальных геномов и повреждений в результате локального образования АФК, оба из которых часто обостряются при таких заболеваниях, как болезнь Паркинсона. Клетки имеют несколько механизмов для оценки функции митохондрий и активации транскрипционного ответа, известного как митохондриальный ответ развёрнутого белка (UPRmt), когда целостность и функция митохондрий нарушены. UPRmt способствует выживанию клеток и восстановлению митохондриальной сети для обеспечения оптимальной клеточной функции. Недавние исследования регуляции, механизмов и функций UPRmt выявили важные и сложные связи со старением и заболеваниями, связанными со старением, разные механизмы передачи сигналов, которые регулируют UPRmt, и физиологические последствия его активации, которые влияют на здоровье клеток и организма во время старения [15]. Связанная со старением нестабильность мтДНК, которая приводит к накоплению мутаций мтДНК в ооците, играет ключевую роль в ухудшении качества ооцита с точки зрения потенциала и риска передачи митохондриальных аномалий потомству, а некоторые гаплогруппы мтДНК защищают от снижения резерва яичников. Количественно митохондриальный биогенез имеет решающее значение во время оогенеза для создания достаточно большого митохондриального пула, чтобы обеспечить нормальное раннее эмбриональное развитие и избежать преждевременной активации митохондриального биогенеза. Старение яичников также серьёзно влияет на динамический характер митохондриального биогенеза в окружающих клетках гранулезы, что может предоставить интересные альтернативные биомаркеры качества ооцитов [16]. Предложена стратегия, направленная на улучшение качества яйцеклеток у женщин старшего возраста путём восстановления устойчивого процесса созревания ооцитов. Определён дефицит путресцина, биогенного полиамина, вырабатываемого в периовуляторных яичниках естественным образом, который является одной из причин плохого качества яйцеклеток. Приём добавок путресцина в период овуляции снижает анеуплоидию яйцеклеток, улучшает качество эмбрионов и снижает частоту выкидышей у старых мышей. Предварительные данные о путресцине показывают, что у женщин наблюдается связанный со старением дефицит орнитиндекарбоксилазы яичников - фермента, ответственного за выработку путресцина. Авторы полагают, что приём периовуляторного путресцина имеет большие перспективы в качестве естественного и эффективного средства лечения бесплодия у женщин старшего материнского возраста, применяемого при естественном зачатии и в сочетании с современными вспомогательными репродуктивными методами [14]. Мутации в мтДНК как мультикопийном геноме, число копий клеток которого варьирует в зависимости от типа ткани, могут вызывать широкий спектр заболеваний. Гетероплазмия или мутированная мтДНК, образующая подмножество общей популяции мтДНК в клетке или ткани, после достижения определённого уровня проявляется как митохондриальная дисфункция. В этой связи предпринимаются попытки искусственного уменьшения или замены мутировавших видов. В качестве современных способов редактирования митохондриального генома и предотвращения патогенного переноса мтДНК исследователи предлагают методы донорства митохондрий, такие как перенос материнского веретена и пронуклеуса, при котором мутированная мтДНК в ооците или оплодотворённом эмбрионе заменяется нормальными копиями митохондриального генома. Обсуждается также методика молекулярного нацеливания и расщепления патогенной мтДНК для сдвига гетероплазмы с использованием антигеномной терапии и геномной инженерии, включая нуклеазы цинкового пальца и эффекторные нуклеазы, подобные активаторам транскрипции [17]. Заключение Среди новых подходов, направленных на решение проблемы репродуктивного здоровья, особое место в современных исследованиях занимают вопросы репродуктивных возможностей организма. Митохондрии вносят значительный вклад в регулирование различных физиологических аспектов репродуктивной функции, включая развитие ооцитов и эмбрионов, а также сперматогенез и оплодотворение. Мутации, вызывающие митохондриальную дисфункцию, могут ассоциироваться с тяжёлыми дегенеративными заболеваниями, такими как болезни Паркинсона и Альцгеймера, а также с некоторыми видами рака. Нестабильность мтДНК в связи со старением приводит к накоплению мутаций мтДНК в ооците, может быть связана с передачей митохондриальных аномалий потомству. Хотя считается, что митохондриальный геном передаётся только по женской линии, появляются доказательства передачи потомству отцовской мтДНК. В поисках способов улучшения качества митохондрий обнаружено наличие в женской зародышевой линии некоего очищающего фильтра против вредных вариантов мтДНК, а также выявлен дефицит биогенного полиамина - путресцина, являющегося одной из причин плохого качества ооцитов. В методологию способов лечения репродуктивных проблем входят инъекции в яичники с использованием богатой тромбоцитами плазмы или стволовых клеток, здоровых митохондрий, а также трансплантация яичников и заместительная митохондриальная терапию с добавлением антиоксидантов (митохинона), кофермента Q10 и др. В качестве современных способов редактирования митохондриального генома и предотвращения переноса мутаций предлагаются методы донорства митохондрий, при котором мутированная мтДНК в ооците или оплодотворённом эмбрионе заменяется нормальными копиями митохондриального генома, а также методы таргетного молекулярного расщепления патогенной мтДНК для сдвига гетероплазмы с использованием антигеномной терапии и геномной инженерии.

Об авторах

И. А. Тлиашинова

Национальный научно-исследовательский институт общественного здоровья имени Н. А. Семашко

Р. Н. Садыкова

Первый Московский государственный медицинский университет имени И. М. Сеченова (Сеченовский Университет)

Э. Н. Мингазова

Национальный научно-исследовательский институт общественного здоровья имени Н. А. Семашко; Российский национальный исследовательский медицинский университет имени Н. И. Пирогова; Казанский государственный медицинский университет

Email: elmira_mingazova@mail.ru

Список литературы

Статистика