Эпигенетические особенности сперматозоида

Сперматозоиды – высокоспециализированные клетки. Одной из их отличительных черт является компактизация генома. Так сокращается общий объём клетки, а ДНК оказывается защищённой от возможных неблагоприятных воздействий в половых путях самки. Особенно важна защита генома, поскольку системы репарации в сперматозоиде неактивны. При созревании сперматозоида метилирование ДНК и набор связанных с ней белков претерпевает значительные изменения, останавливается экспрессия. РНК содержится в сперматозоидах в минимальных количествах, при этом мРНК и рРНК присутствует во фрагментированном виде. Тем не менее, потеря модификаций генома, связанных с ним белков, а также микроРНК сперматозоида, несущих важную эпигенетическую информацию, может серьёзно сказаться на развитии эмбриона.

ДНК сперматозоида компактизирована таким образом, что её концентрация в 6-20 раз выше, чем в ядрах других клеток. Это достигается благодаря специфическим белкам – протаминам. При созревании сперматозоидов гистоны сначала заменяются переходными белками, а те, в свою очередь, уступают место протаминам, протамину 1 и протамину 2, содержащимся в хроматине в соотношении 1:1. Протамины формируют тороидные структуры. Они закрывают ДНК от полимераз. После оплодотворения протамины замещаются материнскими гистонами. Как потеря протаминов, так и нарушение их соотношения связаны с фрагментацией ДНК, в этом случае, как правило, оплодотворение не происходит из-за гибели сперматозоида. Однако если провести оплодотворение сперматозоидом, содержащим недостаточно протамина 2 искусственно, путём инъекции, эмбрион не выживет.

4–15% генома сперматозоида человека сохраняет гистоны. Некоторое количество гистонов сохраняется, и их распределение на ДНК закономерно, они оставляют открытыми некоторые гены, участки, подвергающиеся импринтингу, кластеры микроРНК. Большая часть нуклеосом содержится в небогатых генами областях. Это гистоны H2A и H2B, гистон 3 (H3), гистон 4 (H4) и tH2B. Гистоны находятся у ядерной мембраны и колокализованы с РНК, которая участвует в поддержании нуклеосом, ингибируя присоединение протаминов. Сохраняющиеся в сперматозоидах гистоны участвуют в регуляции экспрессии в раннем эмбриогенезе и поддерживают состояние плюрипотентности клеток.

Важен не только профиль гистонов, но и их модификации, поскольку влияние гистонов на экспрессию определяется ими. Метилирование H3K9 и H3K27, деацетилирование H3 и H4, убиквитинилирование H2A инактивирует экспрессию, а активация экспрессии происходит при метилировании H3, ацетилировании H3 и H4 или убиквитинилировании H2B. Гистон H3 метилируется по 4 и 27 лизину, диметилированный H3K4 (H3K4me2) и H3K4 триметилированный (H3K4me3) находят на принципиальных для развития эмбриона промоторах. Триметилированный H3K27 находится на промоторах, инактивированных в эмбрионе.

В ооците и эмбрионе ДНК слабо метилирована, зато в сперматозоиде содержание метилированных участков повышено. Метилирование важно для импринтинга, взаимодействия хромосом X и защиты от ретротранспозонов. Нарушения метилирования некоторых генов в сперматозоидах, в частности DAZL и  MTHFR, а также сайтов импринтинга связано с бесплодием, а деметилирование повторов – с невынашиванием беременности, даже если провести инъекцию для оплодотворения. 5-гиброксиметилцитозин (5-hmC) – промежуточный продукт деметилирования ДНК.Его расположение совпадает с расположением нуклеосом, что говорит о возможном его участии в эпигенетической регуляции.

Присутствуют в сперматозоиде микроРНК и малые РНК piRNA, защищающие геном от транспозонов. Количество микроРНК в сперматозоиде пренебрежимо мало по сравнению с количеством микроРНК в ооците, однако она важна для правильного развития зиготы. Стресс, связанный с травмой у самцов мышей ведёт к изменению профиля микроRNA и piRNA. Возможно, происходят ещё какие-либо нарушения отцовского эпигенома, но установлено, что в потомстве наблюдаются метаболические изменения и изменения поведения. На эпиенетический профиль сперматозоида влияют возраст и токсины, например, тяжёлые металлы, воздействующие, прежде всего, на P2, связывание которого с ДНК ингибируется свинцом. Воздействуют на эпигенетический профиль вещества, влияющие на эндокринную систему.

Исследование эпигенетических особенностей сперматозоида позволило приблизится к пониманию двух принципиально важных вещей. Во-первых, особенности эпигенома сперматозоида могут быть связаны с нарушениями репродуктивной функции различной степени тяжести. Это может оказаться важным для диагностики и полезным для разработки лечения таких пациентов. Во-вторых, было установлено влияние на эпигенетическую наследственность различных факторов, таких, как, например, перенесённые травмы и стресс, которые влияют, в дальнейшем, на развитие потомства.