ВЫЯВЛЕНИЕ НАРУШЕНИЙ МЕЙОЗА И СПЕРМАТОГЕНЕЗА МЕТОДАМИ СВЕТОВОЙ, ЭЛЕКТРОННОЙ И ФЛУОРЕСЦЕНТНОЙ МИКРОСКОПИИ

Введение. Бесплодие диагностируется у 10–15 % пар, желающих иметь детей. Приблизительно в половине случаев это обусловлено снижением фертильности мужчин. Нарушение сперматогенеза нередко вызвано сбоями в течении ключевых событий профазы I мейоза – синапсиса, репарации, рекомбинации и десинапсиса гомологичных хромосом. Все эти события связаны с уникальной структурой мейотического ядра – синаптонемным комплексом. Поведение латеральных элементов синаптонемного комплекса служат парадигмой поведения хромосом в профазе мейоза и индикатором нарушений синапсиса хромосом.

Цель исследования – оценка возможностей использования методов анализа распластанных ядер сперматоцитов для установления причин нарушения сперматогенеза и для оценки генетических и репродуктивных рисков использования тестикулярных сперматозоидов в программах экстракорпорального оплодотворения, использующих технологию интрацитоплазматической инъекции сперматозоида.

Материалы и методы. Исследование выполнено на биоптатах яичек, полученных от инфертильных пациентов методом открытой мультифокальной тестикулярной биопсии. Суспензии клеток микробиоптатов яичек исследовали под световым микроскопом. Структуру синаптонемного комплекса в распластанных ядрах сперматоцитов изучали методом электронной микроскопии. Целевые мейотические белки (SCP3, RAD51, MLH1, γH2AX) в таких ядрах локализовали методом флуоресцентной микроскопии. Результаты. Описаны возможности светомикроскопического анализа суспензий тестикулярных клеток для оценки состояния сперматогенеза. Детально представлены особенности структурной организации полового (ХY) бивалента, лежащие в основе определения стадий профазы I мейоза в сперматоцитах человека. Описаны признаки «ареста» мейоза, нарушения архитектоники мейотических ядер, синапсиса и рекомбинации хромосом, процессов хиазмообразования и транскрипционной инактивации хроматина в сперматоцитах человека в профазе I мейоза.

Заключение. Представленные результаты демонстрируют целесообразность использования методов электронно-микроскопического и иммуноцитохимического анализа распластанных ядер сперматоцитов в практикe работы репродуктивных центров. Использование этих методов важно для понимания механизмов формирования бесплодия, выявления генетических и репродуктивных рисков использования тестикулярных сперматозоидов в программах экстракорпорального оплодотворения.

1. Райцина С.С. Сперматогенез и структурные основы его регуляции. М.: Наука, 1985. 206 с.

2. Carrell D.T., De Jonge C., Lamb D.J. The genetics of male infertility: a field of study whose time is now. Arch Androl 2006;52(4):269–74. DOI: 10.1080/01485010500503603. PMID: 16728342.

3. Курило Л.Ф., Сорокина Т.М., Черных В.Б. и др. Структура генетически обусловленных заболеваний органов половой системы у человека. Андрология и генитальная хирургия 2011;12(3):17–26.

4. Hamada A.J., Esteves S.C., Agarwal A. A comprehensive review of genetics and genetic testing in azoospermia. Clinics (Sao Paulo) 2013;68(1):39–60. DOI: 10.6061/clinics/2013(Sup01)06. PMID: 23503954.

5. Sciurano R.B., Luna Hisano C.V., Rahn M. et al. Focal spermatogenesis originates in euploid germ cells in classical Klinefelter patients. Hum Reprod 2009;24(9):2353–60. DOI: 10.1093/humrep/dep180. PMID: 19443454.

6. Черных В.Б. AZF делеции – частая генетическая причина бесплодия у мужчин: современное состояние исследований. Проблемы репродукции 2009;15(1):10–5.

7. Khalil A.M., Wahlestedt C. Epigenetic mechanisms of gene regulation during mammalian spermatogenesis. Epigenetics 2008;3(1):21–7. DOI: 10.4161/epi.3.1.5555. PMID: 184160296.

8. Moses M.J. New cytogenetic studies on mammalian meiosis. In: Animal Models in Human Reproduction. Ed. by M. Serio, L. Martini. N.-Y., 1980. Pp. 169–190.

9. Dobson M.J., Pearlman R.E., Karaiskakis A. et al. Synaptonemal complex proteins: occurrence, epitope mapping and chromosome disjunction. J Cell Sci 1994;107(Pt10):2749–60. PMID: 7876343.

10. Heyting C. Synaptonemal complex: structure and function. Curr Opin Cell Biol 1996;8(3):389–96. PMID: 8743892.

11. Богданов Ю.Ф., Коломиец О.Л. Синаптонемный комплекс – индикатор мейоза и изменчивости хромосом. М., 2007. 358 с.

12. Pacheco S., Marcet-Ortega M., Lange J. et al. The ATM signaling cascade promotes recombination-dependent pachytene arrest in mouse spermatocytes. PLoS Genet 2015;11(3):e1005017. DOI: 10.1371/journal.pgen.1005017. PMID: 25768017.

13. Zickler D., Kleckner N. Recombination, pairing, and synapsis of homologs during meiosis. Cold Spring Harb Perspect Biol 2015;7(6).pii:a016626. DOI: 10.1101/ cshperspect.a016626. PMID: 25986558.

14. Moses M.J. Chromosomal structures in crayfish spermatocytes. J Biophys Biochem Cytol 1956;2(2):215–8. PMID: 13319383. PMCID: PMC2223961.

15. Fawcett D.W. The fine structure of chromosomes in the meiotic prophase of vertebrate spermatocytes. J Biophys Biochem Cytol 1956;2(4):403–6. PMID: 13357504. PMCID: PMC2229679.

16. King R.C. The meiotic behavior of the Drosophila oocyte. Int Rev Cytol 1970;28:125–68. DOI: 10.1016/S0074-7696(08)62542-5. PMID: 4908567.

17. Counce S., Meyer G. Differentiation of the synaptonemal complex and the kinetochore in Locusta spermatocytes studied by whole mount electron microscopy. Chromosoma 1973;44(2):231–53. PMID: 4778070.

18. Коломиец О.Л., Aбудуев Н.К., Мазурова Т.Ф. и др. Повреждающее действие антибиотиков на структуру синаптонемных комплексов мейотических хромосом мыши. Генетика 2001;37(2):197–206. PMID: 11253426.

19. Коломиец О.Л., Ацаева М.М., Дадашев С.Я. и др. Нарушения структуры синаптонемных комплексов и селекции сперматоцитов I порядка мыши в ответ на введение лекарственных препаратов. Генетика 2013;49(11):1261–9 PMID: 25470926.

20. Turner J., Mahadevaiah S., FernandezCapetillo O. et al. Silencing of unsynased meiotic chromosomes in the mouse. Genetics 2005;37(1):41–7. DOI: 10.1038/ng1484. PMID: 15580272.

21. Homolka D., Jansa P., Forejt J. Genetically enhanced asynapsis of autosomal chromatin promotes transcriptional dysregulation and meiotic failure. Chromosoma 2012;121(1):91–104. DOI: 10.1007/s00412-011-0346-5. PMID: 22002499.

22. Коломиец О.Л., Мазурова Т.Ф., Богданов Ю.Ф. и др. Анализ структуры и поведения синаптонемных комплексов самцов мыши после длительного введения неоаквасепта. Генетика 1993;29(12):1982–91. PMID: 8119577.

23. Spangenberg V., Arakelyan M., Galoyan E. et al. Reticulate evolution of the rock lizards: meiotic chromosome dynamics and spermatogenesis in diploid and triploid males of the genus Darevskia. Genes (Basel) 2017;8(6).pii:E149. DOI: 10.3390/genes8060149. PMID: 28538689.

24. Moens P.B., Earnshaw W.C. Antitopoisomerase II recognizes meiotic chromosome cores. Chromosoma 1989;98(5):317–22. PMID: 2558860.

25. Matveevsky S.N., Pavlova S.V., Atsaeva M.M. et al. Dual mechanism of chromatin remodeling in the common shrew sex trivalent (XY1Y2). Comp Cytogen 2017;11(4):727–45. DOI: 10.3897/CompCytogen.v11i4.13870. PMID: 29114363. PMCID: PMC5672328.

26. Jamsai D., O’Bryan M.K. Mouse models in male fertility research. Asian J Androl 2011;13(1):139–51. DOI: 10.1038/aja.2010.101. PMID: 21057516.

27. Feng C.A., Spiller C., Merriner D.J. et al. SOX30 is required for male fertility in mice. Sci Rep 2017;7(1):17619. DOI: 10.1038/s41598-017-17854-5. PMID: 29247201.

28. Solari A.J. Synaptonemal complexes and associated structures in microspread human spermatocytes. Chromosoma 1980;81(3):315–37. PMID: 7192619.

29. Martin R.H. Meiotic errors in human oogenesis and spermatogenesis. Reprod Biomed Online 2008;16(4):523–31. PMID: 18413061.

30. Tempest H.G. Meiotic recombination errors, the origin of sperm aneuploidy and clinical recommendations. Syst Biol Reprod Med 2011;57(1–2):93–101. DOI: 10.3109/19396368.2010.504879. PMID: 21204593.

31. De Vries M., Ramos L., de Boer P. Immunofluorescent characterization of meiotic recombination in human males with variable spermatogenesis. Andrology 2013;1(2):262–73. DOI: 10.1111/j.2047-2927.2012.00039.x. PMID: 23413139.

32. WHO laboratory manual for the examination and processing of human semen. 5th ed. WHO Press, 2010.

33. Патент на изобретение № 2328736/ 10.07.2008. Бюл. № 19. Курило Л.Ф. Способ цитологической диагностики нарушения сперматогенеза. Доступно по: http://www.freepatent.ru/patents/2328736. Ссылка активна на 20.02.2018.

34. Sun F., Kozak G., Scott S. Variation in meiotic recombination frequencies among human males. Hum Genet 2005;116(3):172–8. DOI: 10.1093/humrep/deh335. PMID: 15578224.

35. Tang W.H., Jiang H., Ma L.L. et al. Detection of spermatozoa in the testicular tissue of non-obstructive azoospermia patients: cell suspension examination versus histopathology. Zhonghua Nan Ke Xue 2013;19(1):68–71. PMID: 23469666.

36. Miyamoto T., Minase G., Shin T. et al. Human male infertility and its genetic causes. Reprod Med Biol 2017;16(2):81–8. DOI: 10.1002/rmb2.12017. PMID: 29259455.

37. Gardner R.J.M., Sutherland G.R., Grant R. Chromosome Abnormalities and Genetic Counseling. 4th ed. Oxford University Press, 2011. 648 p.