Зміна РНК сперматозоїдів у процесі старіння пояснює вплив віку батька
У недавньому дослідженні, опублікованому в журналі The EMBO Journal, був використаний раніше розроблений метод PANDORA-seq для профілювання малих некодуючих РНК (sncRNA) у сперматозоїдах мишей та людини протягом усього життя, що дозволило виявити раніше невиявлені види sncRNA.
Вплив похилого віку батька на потомство
Все більше чоловіків стають батьками у пізнішому віці. Літній вік батька знижує чоловічу фертильність та збільшує ризики для здоров'я дітей, включаючи мертвіння, порушення розвитку та нейропсихіатричні розлади. Дослідження на тваринах показали, що потомство батьків старшого віку піддається більш високому ризику метаболічних розладів, ожиріння та тривожності.
Хоча більшість досліджень старіння сперматозоїдів були зосереджені на пошкодженні ДНК і змінах метилювання, вчені в даний час визнають епігенетичний потенціал малих некодуючих РНК (sncRNA) у сперматозоїдах, які відіграють вирішальну роль у міжпоколінній передачі батьківських факторів навколишнього середовища і можуть впливати на ранній ембріон.
Малі некодуючі РНК (sncRNAs), включаючи мікроРНК ( miRNAs ), малі РНК, отримані з транспортної РНК ( tsRNAs ), і малі РНК, отримані з рибосомальної РНК ( rsRNAs ), несуть інформацію про вік і досвід батька, яка може передаватися наступному покол. Вони також служать маркерами якості ембріонів у клініках репродуктивної медицини, що призвело до концепції «сперматозоїдного РНК-коду», яка відноситься до специфічних патерн РНК у сперматозоїдах, які, як передбачається, впливають на здоров'я потомства через батьківські фактори.
Метод PANDORA-seq виявляє приховану «кризу старіння» в сперматозоїдах мишей
Дослідники застосували PANDORA-seq - метод секвенування, який знижує похибку виявлення, викликану модифікаціями РНК, які не були виявлені традиційними методами, що дозволило аналізувати tsRNA та rsRNA з хімічними модифікаціями. Цей метод показав, що miRNA становлять менше 0,5% від виявлених коротких РНК-послідовностей, у той час як tsRNA і rsRNA є домінуючими і відіграють ключову роль в епігенетичній батьківській передачі.
Аналізуючи сперму мишей п'яти вікових груп (10, 30, 50, 70 і 90 тижнів), дослідники виявили виразний «стрибок старіння» між 50 та 70 тижнями, відзначений різкою зміною складу tsRNA та rsRNA. Цей перехід, що є молекулярною зміною на рівні популяції, а не одиничний детермінований перемикач в окремих особин, розділяє ранні та пізні стадії старіння і був виявлений тільки за допомогою PANDORA-seq. Стрибок старіння, заснований на tsRNA і rsRNA, показав чіткіший поділ між ранніми і пізніми стадіями старіння, ніж стрибок, заснований на miRNA, що демонструє чудову чутливість PANDORA-seq у виявленні вікових змін.
Оскільки вважається, що РНК головок сперматозоїдів функціонально важливіші для розвитку ембріона, ніж цитоплазматичні РНК, дослідники проаналізували ізольовані головки сперматозоїдів в тих самих вікових групах. Як цілі сперматозоїди, так і головки сперматозоїдів виявили різке зниження активності на 50-70 тижні за допомогою PANDORA-seq, підтвердивши, що це є стійкою ознакою старіння.
У головках сперматозоїдів було виявлено мітохондріальні tsRNA та rsRNA (0,14 % та 0,11 %), які демонстрували скоординовані вікові зміни, що відображають різке зниження активності геному у процесі старіння. Це відкриття переконливо свідчить, але не доводить прямо, що транспорт РНК з мітохондрій в ядро є потенційним механізмом, що опосередковує сигнали старіння.
Було відзначено вікову зміну довжини rsRNA в головках сперматозоїдів: довжина довших РНК збільшувалася, а більш коротких зменшувалася, особливо це стосувалося rsRNA, що походять з 28S та 18S РНК. Мітохондріальні rsRNA демонстрували аналогічні тенденції, проте tsRNA таких змін не спостерігалося. Ця зміна довжини узгоджується з моделлю, в якій у старіючих сперматозоїдів знижена здатність до обробки rsRNA, можливо, через окислювальний стрес, що змінює активність ферментів, що може мати наслідки для фертильності та здоров'я потомства.
Старіння сперматозоїдів людини відображає закономірності зміни rsRNA у мишей
Дослідники застосували метод PANDORA-seq до сперматозоїдів людини з двох когорт: поздовжньої когорти з 8 донорів (у віці 34-68 років) та поперечної когорти з 47 донорів (у віці 25-51 року). Головки сперматозоїдів були виділені для збагачення сигналів старіння та забезпечення чистоти РНК.
В обох групах людей спостерігалася стійка вікова зміна довжини rsRNA, що відображає тенденції, що спостерігаються у мишей: довжина довших rsRNA збільшувалася, а довжина більш коротких rsRNA зменшувалася. Ця зміна була більш вираженою в загальній довжині rsRNA, особливо в rsRNA, отриманих з 18S і 28S РНК. Мітохондріальні rsRNA показали аналогічні, але менш виражені тенденції. Ці результати вказують на те, що зміна довжини rsRNA є еволюційно-консервативною особливістю старіння, яка, на думку авторів, може бути пов'язана з окислювальним стресом та зміною ферментативної активності. Такі зміни можуть перебудовувати РНК-код сперматозоїдів та впливати на розвиток ембріона та здоров'я потомства.
Оцінка функціонального значення «обриву старіння сперматозоїдів»
Для перевірки функціональної значущості дослідники створили РНК-коктейлі, що представляють профілі «молодих» та «старих» сперматозоїдів, використовуючи tsRNA та rsRNA з найбільш значними віковими змінами експресії. Ці коктейлі були трансфековані в ембріональні стовбурові клітини миші і експресія генів була проаналізована через 24 години.
Коктейль з РНК старих сперматозоїдів активував інші гени, ніж коктейль молодих, зокрема гени, що беруть участь у метаболізмі, функції мітохондрій та нейродегенеративних захворюваннях. Ці зміни в сигнальних шляхах відповідають біологічним процесам, пов'язаним із проблемами зі здоров'ям, що спостерігаються у потомства батьків старшого віку, включаючи метаболічні та неврологічні розлади. Цей експеримент in vitro демонструє, що вікові зміни в РНК сперматозоїдів можуть безпосередньо змінювати активність генів в ембріональних клітинах, надаючи доказ принципу дії, а не підтвердження успадкування in vivo або фенотипів потомства.
Автори також відзначають, що синтетичні РНК-коктейлі можуть не повною мірою відтворювати біологічну активність ендогенних РНК сперматозоїдів, які природно несуть хімічні модифікації, здатні впливати на стабільність і функцію РНК.
Старіння сперматозоїдної РНК, що зберігає свої властивості, знаменує собою біологічний перехід
Дослідники використовували PANDORA-seq для виявлення «старіючого обриву» в сперматозоїдах - різкої зміни в структурі малих РНК, яка відбувається у певному віці у мишей (50-70 тижнів) і відображається в консервативних молекулярних особливостях, що спостерігаються в сперматозоїдах людини. У поточному дослідженні було виявлено вікову зміну довжини rsRNA: з віком довжина довших rsRNA збільшується, а довжина короткіших зменшується.
Передбачається, що ця зміна відображає зниження здатності до обробки РНК з віком, можливо через окислювального стресу. Функціональні тести показали, що РНК-коктейлі, що імітують старі сперматозоїди, активують гени, пов'язані з метаболічними розладами та неврологічними захворюваннями в ембріональних стовбурових клітинах, що підтверджує модель, в якій пов'язані з віком батька зміни в РНК сперматозоїдів можуть бути схильними.
Ці консервативні РНК-маркери можуть бути біомаркерами якості сперми в клініках репродуктивної медицини. Після подальшої перевірки вони можуть допомогти у майбутніх дослідженнях, спрямованих на краще розуміння репродуктивних та медичних ризиків, пов'язаних із віком батька.