Международная группа ученых выяснила, что с возрастом в сперматозоидах млекопитающих накапливаются генетические и эпигенетические изменения, которые могут повлиять на здоровье потомков. Например, в некоторых участках целого ряда генов, отвечающих за развитие нервной системы будущего ребенка, изменяется метилирование ДНК – химическая модификация, контролирующая работу этих генов. Такое может наблюдаться и в клетках потомков возрастных отцов. Также на основании данных метилирования ДНК построены эпигенетические часы сперматозоидов человека, по которым можно определять биологический возраст мужчины и использовать в качестве индикатора при воздействиях, связанных с лечением бесплодия. Результаты обзорного исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Human Reproduction Update.
В современном мире люди позже вступают в брак и рожают детей, и наука начинает внимательнее следить за этой тенденцией. Например, в США за последние сорок лет количество детей, рожденных от отцов старше сорока лет, удвоилось. Однако большинство исследований сфокусировано на возрасте матери и его влиянии на здоровье потомков, тогда как влияние позднего отцовства обсуждается меньше. В то же время известно, что беременности от более возрастных отцов чаще заканчиваются выкидышами.
Мужская фертильность, то есть способность зачать ребенка, снижается с возрастом, однако в сравнении с прекращением фертильности при наступлении менопаузы у женщин, мужчины имеют шансы на естественное зачатие практически до самой старости. Сперматозоиды образуются при делении половых клеток-предшественников (сперматогоний) в течение всей жизни, в то время как у женщин запас яйцеклеток окончательно формируется еще в материнской утробе. При делении клетки копирование ДНК иногда происходит с ошибками – так появляются мутации. Большое количество новых делений – около 23 в год, то есть каждые 16 дней – сопровождается риском появления новых мутаций при делении сперматогоний. Поскольку с возрастом клетки-предшественники сперматозоидов всё больше делятся, всё больше накапливается и ошибок в их ДНК.
Однако причиной изменений в геноме половых клеток могут быть не только мутации, но и эпигенетические события, не затрагивающие изменения нуклеотидной последовательности ДНК, но способные служить регуляторными сигналами: они могут включать, выключать гены или изменять режим их работы. Высказывается предположение, что благодаря эпигенетическим изменениям в половых клетках родители могут передать потомству не только программу развития организма, заложенную в генах, но и информацию об окружающей среде, в которой детям предстоит расти и развиваться.
Ученые из Научно-исследовательского института физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского МГУ имени М.В.Ломоносова, Школы общественного здоровья и медицинских наук Массачусетского университета в Амхерсте (США) и Центра молекулярной медицины и генетики Медицинского факультета государственного университета Уэйна (США) проанализировали и обобщили литературные данные об эпигенетических метках в сперматозоидах млекопитающих, связанных с возрастом, а также с последующими событиями у потомков. Одной из наиболее часто встречающихся эпигенетических модификаций является метилирование цитозина – присоединение небольшой метильной группы, состоящей из одного атома углерода и трех атомов водорода. В различных исследованиях ученые выяснили, что в генах, связанных с ранним развитием плода и психоневрологическими нарушениями, метилирование с возрастом изменяется. Причем наблюдаются как участки генома с повышением, так и с понижением доли метилирования среди всех рассматриваемых половых клеток. Несколько научных коллективов смогли сконструировать достаточно точные (наилучшие из них – с погрешностью в полтора года) эпигенетические часы сперматозоидов, продемонстрировав линейную зависимость от возраста состояния метилирования определенных цитозинов во множестве сперматозоидов. Более того, было установлено, что увеличение рассчитываемого с помощью часов «эпигенетического» возраста было связано с более длительным периодом, необходимым для естественного зачатия в популяции здоровых семейных пар. Также с помощью этих часов было показано, что курение ускоряет старение сперматозоидов.
Вскоре после оплодотворения у эмбриона происходит глобальное стирание метильных меток, доставшихся от родителей. Но важно отметить, что появляются современные исследования, которые говорят о том, что наблюдаемые у более пожилых отцов эпигенетические изменения в геноме сперматозоидов могут всё-таки впоследствии наблюдаться и у потомков. Похожие результаты продемонстрированы во многих исследованиях различных млекопитающих (мыши, крысы и быки) и в единичных пока исследованиях у человека.
Зачастую именно вспомогательные репродуктивные технологии (ВРТ), такие как ЭКО и ИКСИ, позволяют возрастным парам иметь детей в более позднем возрасте. Поэтому авторы обзора задались вопросом, не влияют ли эти технологии сами по себе на эпигенетические изменения у плода. Одно из недавних исследований показало, что при искусственном введении выбранного сперматозоида в яйцеклетку (ИКСИ) эпигеном плода претерпевал более сильные изменения, чем при стандартном ЭКО, при котором сперматозоиды конкурентно стремятся оплодотворить яйцеклетку в пробирке.
«Традиционно считалось что накопление эпигенетических изменений в сперматозоидах с возрастом это случайный процесс, наподобие мутаций. Такие изменения даже называли эпимутациями. Однако наш обзор, как и наши экспериментальные данные, показывают, что эти изменения не случайны. Продемонстрировано, что возрастные изменения метилирования ДНК и изменения экспрессии малой некодирующей РНК (еще один эпигенетический механизм) пересекаются по регуляции работы одних и тех же генов. И эти гены затрагивают важнейшие механизмы развития. Биологическая роль таких изменений пока не понятна, но похоже, что млекопитающие запрограммированы на передачу следующему поколению различной информации в разном возрасте. Важно то, что если мы поймем, как формируется эпигеном сперматозоидов, и как он определяет здоровье потомства, мы сможем влиять на здоровье ребенка еще до его зачатия», – рассказал Александр Суворов, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник группы эпигенетической эпидемиологии НИИФХБ МГУ.
«Исследования эпигенетических меток важно не только для того, чтобы проконтролировать и, по возможности, предотвратить потенциальные проблемы репродукции у пожилых пар, – добавил Василий Ашапкин, доктор биологических наук, старший научный сотрудник НИИФХБ МГУ. – В последние годы в науке о старении происходит активный поиск подходов к нейтрализации негативных последствий старения – омолаживанию организма в целом и отдельных его органов. Эпигенетические часы оказались самым точным и удобным способом проконтролировать эффективность таких подходов. Уже доказано, что эпигенетический (а, следовательно, и биологический) возраст можно уменьшить с помощью определенных изменений образа жизни (рациональное питание, регулярные физические упражнения, отказ от вредных привычек, прием определенных биологически активных добавок). Можно с достаточной степенью уверенности предположить, что такие подходы сработают и для продления полноценного репродуктивного здоровья мужчин и женщин».
«Несколько ранее наша группа при поддержке РНФ продемонстрировала масштабные возраст-зависимые эпигенетические изменения, связанные с метилированием ДНК и изменением профиля малых некодирующих РНК в сперматозоидах крыс. В обзоре мы постарались обобщить литературу на эту тему по данным исследований на животных и человеке и предложить дизайны эпидемиологических и экспериментальных исследований, результаты которых позволили бы уточнить роль именно возрастных факторов - в отдельности от факторов окружающей среды, факторов, сопровождающих возникновение бесплодия и факторов, связанных с ВРТ. Уверен, что современная тенденция «позднего» или «отложенного» отцовства требует более широкого изучения и обсуждения, как среди ученых, так и практических специалистов, работающих в репродуктологии и педиатрии», – подвел итог руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Олег Сергеев, кандидат медицинских наук, старший научный сотрудник, руководитель группы эпигенетической эпидемиологии НИИФХБ МГУ.