Изменение РНК сперматозоидов в процессе старения объясняет влияние возраста отца

В недавнем исследовании, опубликованном в журнале The EMBO Journal, был использован ранее разработанный метод PANDORA-seq для профилирования малых некодирующих РНК ( sncRNA ) в сперматозоидах мышей и человека на протяжении всей жизни, что позволило обнаружить ранее невыявленные виды sncRNA.

Влияние преклонного возраста отца на потомство

Всё больше мужчин становятся отцами в более позднем возрасте. Пожилой возраст отца снижает мужскую фертильность и увеличивает риски для здоровья детей, включая мертворождение, нарушения развития и нейропсихиатрические расстройства. Исследования на животных показали, что потомство отцов старшего возраста подвержено более высокому риску метаболических расстройств, ожирения и тревожности.

Хотя большинство исследований старения сперматозоидов были сосредоточены на повреждении ДНК и изменениях метилирования, ученые в настоящее время признают эпигенетический потенциал малых некодирующих РНК ( sncRNA ) в сперматозоидах, которые играют решающую роль в межпоколенческой передаче отцовских факторов окружающей среды и могут влиять на раннее эмбриональное развитие.

Малые некодирующие РНК (sncRNAs), включая микроРНК ( miRNAs ), малые РНК, полученные из транспортной РНК ( tsRNAs ), и малые РНК, полученные из рибосомальной РНК ( rsRNAs ), несут информацию о возрасте и опыте отца, которая может передаваться следующему поколению. Они также служат маркерами качества эмбрионов в клиниках репродуктивной медицины, что привело к концепции «сперматозоидного РНК-кода», которая относится к специфическим паттернам РНК в сперматозоидах, которые, как предполагается, влияют на здоровье потомства через отцовские факторы.

Метод PANDORA-seq выявляет скрытый «кризис старения» в сперматозоидах мышей

Исследователи применили PANDORA-seq — метод секвенирования, который снижает погрешность обнаружения, вызванную модификациями РНК, которые не были обнаружены традиционными методами, что позволило анализировать tsRNA и rsRNA с химическими модификациями. Этот метод показал, что miRNA составляют менее 0,5 % от обнаруженных коротких РНК-последовательностей, в то время как tsRNA и rsRNA являются доминирующими и играют ключевую роль в отцовской эпигенетической передаче.

Анализируя сперму мышей пяти возрастных групп (10, 30, 50, 70 и 90 недель), исследователи обнаружили отчетливый «скачок старения» между 50 и 70 неделями, отмеченный резким изменением состава tsRNA и rsRNA. Этот переход, представляющий собой молекулярное изменение на уровне популяции, а не единичный детерминированный переключатель у отдельных особей, разделяет ранние и поздние стадии старения и был обнаружен только с помощью PANDORA-seq. Скачок старения, основанный на tsRNA и rsRNA, показал более четкое разделение между ранними и поздними стадиями старения, чем скачок, основанный на miRNA, что демонстрирует превосходную чувствительность PANDORA-seq в обнаружении возрастных изменений.

Поскольку считается, что РНК головок сперматозоидов функционально более важны для развития эмбриона, чем цитоплазматические РНК, исследователи проанализировали изолированные головки сперматозоидов в одних и тех же возрастных группах. Как целые сперматозоиды, так и головки сперматозоидов выявили резкое снижение активности на 50–70 неделе с помощью PANDORA-seq, подтвердив, что это является устойчивым признаком старения.

В головках сперматозоидов были обнаружены митохондриальные tsRNA и rsRNA (0,14 % и 0,11 %), которые демонстрировали скоординированные возрастные изменения, отражающие резкое снижение активности генома в процессе старения. Это открытие убедительно свидетельствует, но не доказывает напрямую, о том, что транспорт РНК из митохондрий в ядро ​​является потенциальным механизмом, опосредующим сигналы старения.

Было отмечено возрастное изменение длины rsRNA в головках сперматозоидов: длина более длинных РНК увеличивалась, а более коротких уменьшалась, особенно это касалось rsRNA, происходящих из 28S и 18S РНК. Митохондриальные rsRNA демонстрировали аналогичные тенденции, однако tsRNA таких изменений не наблюдалось. Это изменение длины согласуется с моделью, в которой у стареющих сперматозоидов снижена способность к обработке rsRNA, возможно, из-за окислительного стресса, изменяющего активность ферментов, что может иметь последствия для фертильности и здоровья потомства.

Старение сперматозоидов человека отражает закономерности изменения rsRNA у мышей

Исследователи применили метод PANDORA-seq к сперматозоидам человека из двух когорт: продольной когорты из 8 доноров (в возрасте 34–68 лет) и поперечной когорты из 47 доноров (в возрасте 25–51 года). Головки сперматозоидов были выделены для обогащения сигналов старения и обеспечения чистоты РНК.

В обеих группах людей наблюдалось устойчивое возрастное изменение длины rsRNA, отражающее тенденции, наблюдаемые у мышей: длина более длинных rsRNA увеличивалась, а длина более коротких rsRNA уменьшалась. Это изменение было более выраженным в общей длине rsRNA, особенно в rsRNA, полученных из 18S и 28S РНК. Митохондриальные rsRNA показали аналогичные, но менее выраженные тенденции. Эти результаты указывают на то, что изменение длины rsRNA является эволюционно консервативной особенностью старения, которая, по мнению авторов, может быть связана с окислительным стрессом и изменением ферментативной активности. Такие изменения могут перестраивать РНК-код сперматозоидов и влиять на развитие эмбриона и здоровье потомства.

Оценка функционального значения «обрыва старения сперматозоидов»

Для проверки функциональной значимости исследователи создали РНК-коктейли, представляющие профили «молодых» и «старых» сперматозоидов, используя tsRNA и rsRNA с наиболее значительными возрастными изменениями экспрессии. Эти коктейли были трансфецированы в эмбриональные стволовые клетки мыши , и экспрессия генов была проанализирована через 24 часа.

Коктейль из РНК старых сперматозоидов активировал другие гены, чем коктейль молодых, в частности, гены, участвующие в метаболизме, функции митохондрий и нейродегенеративных заболеваниях. Эти изменения в сигнальных путях соответствуют биологическим процессам, связанным с проблемами со здоровьем, наблюдаемыми у потомства отцов старшего возраста, включая метаболические и неврологические расстройства. Этот эксперимент in vitro демонстрирует, что возрастные изменения в РНК сперматозоидов могут напрямую изменять активность генов в эмбриональных клетках, предоставляя доказательство принципа действия, а не прямое подтверждение наследования in vivo или фенотипов потомства.

Авторы также отмечают, что синтетические РНК-коктейли могут не в полной мере воспроизводить биологическую активность эндогенных РНК сперматозоидов, которые естественным образом несут химические модификации, способные влиять на стабильность и функцию РНК.

Старение сперматозоидной РНК, сохраняющей свои свойства, знаменует собой биологический переход

Исследователи использовали PANDORA-seq для обнаружения «стареющего обрыва» в сперматозоидах — резкого изменения в структуре малых РНК, которое происходит в определенном возрасте у мышей (50–70 недель) и отражается в консервативных молекулярных особенностях, наблюдаемых в сперматозоидах человека. В текущем исследовании было обнаружено возрастное изменение длины rsRNA: с возрастом длина более длинных rsRNA увеличивается, а длина более коротких уменьшается.

Предполагается, что это изменение отражает снижение способности к обработке РНК с возрастом, возможно, из-за окислительного стресса. Функциональные тесты показали, что РНК-коктейли, имитирующие старые сперматозоиды, активируют гены, связанные с метаболическими расстройствами и неврологическими заболеваниями в эмбриональных стволовых клетках, что подтверждает модель, в которой связанные с возрастом отца изменения в РНК сперматозоидов могут влиять на раннюю регуляцию генов развития.

Эти консервативные РНК-маркеры могут служить биомаркерами качества спермы в клиниках репродуктивной медицины. После дальнейшей проверки они могут помочь в будущих исследованиях, направленных на лучшее понимание репродуктивных и медицинских рисков, связанных с возрастом отца.