Мужское бесплодие относится к достаточно распространенным состояниям, но его причины изучены недостаточно. Однако в последние годы технологии секвенирования генов позволили обнаружить множество редких мутаций, которые нарушают все аспекты мужской репродуктивной функции: от эмбрионального развития до эндокринной регуляции сперматогенеза и функционирования сперматозоидов.
Причины нарушения мужской фертильности
Генетические причины мужского бесплодия включают моногенные мутации и анеуплоидии, такие как синдром Клайнфельтера и мутации Y-хромосомы. На их долю приходится около 20–25% случаев необструктивной азооспермии.
Окислительный стресс — еще одна важная причина проблем с мужской фертильностью. У 40% пациентов наблюдаются признаки окислительно-восстановительных реакций, приводящих к высокому уровню перекисного окисления липидов и повреждению ДНК. Один из маркеров такого повреждения — 8-гидрокси-2′-дезоксигуанозин (8-OHdG), который обладает высокой мутагенной активностью и может вызывать новые мутации у человека. Около 75% таких мутаций происходят в мужской зародышевой линии.
Исследование повреждений 8-OHdG в геноме сперматозоидов выявило около 9000 участков, уязвимых для окислительного воздействия. Один из них, расположенный на 15-й хромосоме, особенно подвержен окислительному стрессу. Этот участок связан с мужским бесплодием, раком, нарушениями импринтинга, а также с поведенческими расстройствами, включая аутизм, биполярное расстройство и спонтанная шизофрения. Риск этих заболеваний увеличивается с возрастом отца.
Сперматогенез — это сложный процесс, в котором участвуют тысячи генов. Он помогает создать один из самых специализированных типов клеток в человеческом организме — сперматозоид. Из-за этой сложности основной причиной мужского бесплодия часто считают «мужской фактор», в частности снижение качества спермы.
Проведенный экспертами анализ данных показал, что дефекты мужского пола встречаются в 21,1 ± 2,8% случаев бесплодия. Остальные причины распределяются следующим образом:
- женский фактор — 42,8 ± 3,2%;
- сочетание мужского и женского факторов — 24,2 ± 4,9%;
- необъяснимое бесплодие — 13,2 ± 2,1%.
Генетические причины мужского бесплодия
К бесплодию могут привести мутации, влияющие на структуру и функцию сперматозоидов. Эти аномалии и эпимутации в мужской зародышевой линии воздействуют на функциональную способность сперматозоидов и/или их первичное образование.
К примерам мутаций, влияющих на качество спермы, относятся состояния, воздействующие на морфологию сперматозоидов и их способность к оплодотворению. Классический пример такого состояния — глобозооспермия. У пациентов с этим заболеванием сперматозоиды имеют сферическую головку без акросомы и дезорганизованную среднюю часть с избыточным количеством остаточной цитоплазмы. Отмечалось, что глобозооспермические сперматозоиды обладают нормальными жгутиками, способными к поступательному движению, и при соответствующих условиях они могут проявлять гиперактивность. Однако эти клетки не способны связываться с блестящей оболочкой и достигать слияния сперматозоидов с ооцитами.
Эти функциональные дефекты врачи пытаются обойти с помощью применения ИКСИ (интрацитоплазматической инъекции сперматозоида), хотя даже при этой технике частота оплодотворения низкая. Одна из причин отсутствия оплодотворения заключается в том, что глобозооспермические сперматозоиды имеют дефицит фосфолипазы C зета (PLCζ), управляющей активацией ооцита при оплодотворении. Искусственная активация ооцита в сочетании с ИКСИ может повысить частоту оплодотворения глобозооспермическими сперматозоидами, но даже при этом вмешательстве частота успеха значительно ниже контрольных уровней.
Одно из возможных объяснений низкой частоты оплодотворения, наблюдаемой с такими сперматозоидами, состоит в том, что они демонстрируют высокий уровень фрагментации ДНК в сочетании с плохой упаковкой хроматина и дефицитом протамина.
Кроме того, с этим состоянием связана «частичная глобозооспермия», при которой >50% клеток имеют круглую морфологию без акросомы. Хотя генетическая основа этого заболевания в настоящее время остается неопределенной, экспертами предполагается, что при наличии явно нормальных клеток в эякуляте возможно эффективное лечение с помощью интрацитоплазматической инъекции сперматозоида.
Причины глобозооспермии носят генетический характер и связаны с мутациями в трех генах: SPATA16 (связанный со сперматогенезом), PICK1 (белок, взаимодействующий с PRKCA 1) и DPY19L2 (подобный DPY-19 2), причем последний считается доминантным. Гомозиготные делеции в гене DPY19L2 примерно в 70% случаев вызваны неаллельной гомологичной рекомбинацией между фланкирующими последовательностями LCR (низкокопийных повторов). Как и большинство генетических заболеваний, вызывающих мужское бесплодие, эти мутации встречаются редко (<1%).
Второй дефект сперматозоидов с установленной генетической причиной — макрозооспермия, характеризующаяся наличием очень высокого процента сперматозоидов с увеличенными головками и множественными жгутиками. Большинство таких клеток диплоидны, а этиология связана с мутациями в гене AURKC (aurora kinase C). Частота этих мутаций варьируется, но проведенное изучение показало, что мутации AURKC были наиболее распространены, составляя 2,7% среди бесплодных мужчин по сравнению с 1,2% при проявлении глобозооспермии, зависящей от DPY19L2.
Морфология головки сперматозоида также радикально меняется при состоянии, известном как синдром ацефалических сперматозоидов. Отмечалось, что этот фенотип возникает в результате мутаций в нескольких различных генах. Таким образом, в этиологию этого заболевания были вовлечены полиамин-модулированный фактор 1, связывающий белок 1 (PMFBP1), тестис-специфический белок 10 (TSGA10), Sad1 и домен UNC84, содержащий SUN-домен-содержащий белок 5 (SUN5), бромодомен (BRDT) и центросомальный белок 112 (CEP112). Мутации в гене SUN5 считаются причиной примерно половины всех случаев развития у пациентов ацефалических сперматозоидов.
Мужское бесплодие также связано с нарушениями подвижности сперматозоидов, вызванными генами, влияющими на развитие жгутика сперматозоида, его структуру и физиологическую регуляцию. Эти мутации приводят к изолированному мужскому бесплодию, связанному с тяжёлой астенозооспермией при отсутствии какой-либо другой патологии, и известны под общим названием «множественные морфологические аномалии жгутиков сперматозоидов» (MMAF).
Подвижность — не единственный признак, подверженный влиянию генетических и эпигенетических мутаций на функцию сперматозоидов. Например, известно, что генетические дефекты в гене PLCζ, активирующего образование кальциевых транзиентов, нарушают активацию и оплодотворение ооцитов человека. Неудача оплодотворения также связана с мутациями в гене CATPSERE (CatSper-epsilon), компоненте кальциевого канала сперматозоидов, а также с полиморфизмами митохондриальных генов MT-ATP6 и MT-CYB.
Мутации, затрагивающие яички и выводные протоки
Обструктивная азооспермия встречается примерно в 30% случаев азооспермии и часто обусловлена окклюзией выводных (семявыносящих) протоков вследствие инфекции, травмы или хирургического вмешательства. Основная генетическая причина – мутации гена CFTR (муковисцидозного трансмембранного регулятора проводимости), которые, как известно, вызывают аномальное формирование или двустороннее отсутствие семявыносящих протоков.
Остальные 70% случаев азооспермии носят необструктивный характер и связаны с первичным нарушением сперматогенеза. Первичная тестикулярная недостаточность (состояние, при котором яички не способны производить сперму и тестостерон) может наблюдаться при различных формах рака яичек, генетическое происхождение которых так же сложно, как и их гистопатология, включая герминогенные опухоли (семиному, эмбриональную карциному, опухоль желточного мешка и тератому), а у мужчин старшего возраста – лимфомы яичек.
При опухолях зародышевых клеток почти всегда наблюдается увеличение хромосомного плеча 12p и анеуплоидия (65), в то время как при первичных лимфомах яичек наблюдается почти повсеместная потеря CDKN2A (ингибитора циклинзависимой киназы 2A) с редкими мутациями TP53 (опухолевого белка p53), а также изменения числа копий 9p24.1/PD-L1/PD-L2 и дополнительные транслокации этих локусов.
Не все мутации, вызывающие необструктивную азооспермию, экспрессируются в яичках. Существует несколько генов, участвующих в этиологии гипогонадотропного гипогонадизма, являющиеся ключевыми компонентами гипоталамо-гипофизарно-гонадной оси, участвующие в эндокринной регуляции сперматогенеза. В качестве примера можно привести ген GNRHR (рецептор гонадотропин-рилизинг-гормона) человека. Этот белок представляет собой рецептор, связанный с G-белком, который экспрессируется на поверхности гонадотрофов гипофиза и реагирует на пульсирующую стимуляцию гонадотропин-рилизинг-гормоном, способствуя секреции гонадотропинов ФСГ и ЛГ. В этом гене было выявлено несколько (по меньшей мере 19) мутаций, которые часто проявляют свое патологическое действие в виде сложных гетерозигот.
Существуют также мутации, препятствующие дифференциации мужской репродуктивной системы, в том числе мутация CYB5A (цитохром b5, форма A), избирательно нарушающая активность 17,20-лиазы, что приводит к нарушениям полового развития, а также делеции на 21-й хромосоме, также вызывающие дефекты этого процесса у мужчин.
Y-хромосома
Y-хромосома необычна тем, что существует изолированно. Одно из негативных последствий такого обособленного существования состоит в том, что Y-хромосома имеет ограниченные возможности для восстановления поврежденной ДНК. Все остальные хромосомы имеют гомологичную хромосому, унаследованную от другого родителя, которая может помочь в восстановлении повреждённой ДНК посредством гомологичной рекомбинации. У Y-хромосомы нет гомолога, с которым она могла бы рекомбинировать, поэтому, чтобы сохранить хоть какую-то стабильность, она имеет внутрихромосомную форму рекомбинации.
Три распространенные делеции Yq, которые встречаются у бесплодных мужчин, называются микроделециями AZF (фактор азооспермии) — AZFa, AZFb и AZFc. Кроме того, наблюдаются комбинации AZFbc, AZFabc и частичная делеция AZFc, называемая AZFc/gr/gr. Делеции AZFa и AZFb обычно приводят к полной азооспермии. Однако у пациентов с делецией AZFc обычно наблюдается тяжелая форма олигозооспермии, при которой в эякуляте или в материале биопсии яичек обнаруживается небольшое количество сперматозоидов.
Распространённость делеций и микроделеций Y-хромосомы оценивается как 1 случай на 2000–3000 мужчин, в то время как частота микроделеций Yq у мужчин с азооспермией составляет 15%, а с тяжелой олигозооспермией — около 5%. В отличие от моногенных генных мутаций, вызывающих нарушение выработки сперматозоидов или первичную недостаточность яичек, мутации Y-хромосомы не могут сохраняться в популяции в виде гетерозигот или передаваться через женскую половую линию.
Окислительный стресс
Важность окислительного стресса в этиологии нарушений функции сперматозоидов была признана после того, как проведенные исследования показали, что сперматозоиды млекопитающих подвержены процессу перекисного окисления липидов, который воздействует на ненасыщенные жирные кислоты в этих клетках, разрушая плазматическую мембрану и нарушая их функциональную способность.
Индукция такого стресса может быть связана с повышенной генерацией активных форм кислорода (АФК) этими клетками и/или с дефицитом уровня антиоксидантной защиты, которую они обеспечивают. Конечные последствия окислительного стресса включают потерю подвижности, снижение способности сперматозоидов проходить акросомную реакцию, нарушение способности сливаться с желточной мембраной ооцита и повреждение ДНК.
Инфильтрация лейкоцитами и выработка активных форм кислорода
Источники активных форм кислорода, вызывающих окислительный стресс, сложны и могут быть обусловлены как внутренними, так и внешними факторами. Основной внешний фактор — лейкоциты, попадающие в сперму в момент эякуляции из вторичных половых желез. Основные виды лейкоцитов в этом контексте — нейтрофилы, попадающие в семенную жидкость в активированном состоянии, генерирующем свободные радикалы.
Считается, что присутствие этих клеток свидетельствует о наличии инфекции в репродуктивном тракте, хотя могут быть задействованы и другие факторы, такие как травма, хирургическое вмешательство и аутоиммунные заболевания. Пока количество лейкоцитов относительно невелико (менее 1 миллиона на миллилитр, что соответствует пороговому значению лейкоцитоспермии), активные формы кислорода, вырабатываемые инфильтрирующими лейкоцитами, не влияют на функциональность сперматозоидов, поскольку эти клетки надёжно защищены мощными антиоксидантами, присутствующими в семенной плазме.
Однако, если количество лейкоцитов превышает этот лейкоцитоспермический порог или немного ниже его, то преобладает состояние окислительного стресса, и функция сперматозоидов нарушается.
Помимо контаминации лейкоцитами, большинство активных форм кислорода, нарушающих функцию сперматозоидов, генерируются эндогенно различными путями в ответ на разнообразные стимулы.
