پروتامین اسپرم و ناباروری مردان

مقدمه

در بدن انسان 60 تریلیون سلول وجود دارد.هر سلول دارای DNA در یک هسته کوچک است که اطلاعات ژنتیکی فرد را در خود جاداده است. واحد اصلی سازماندهی DNA ژنوم، کروماتین است که به صورت یک فیبر 10 نانومتری در هسته سلول وجود دارد. در ساختار کروماتین، هیستونها جزء پروتئینهای اصلی میباشند که این پروتئینها غنی از اسیدآمینه های لیزین و آرژنین هستند. ساختار کروماتین حاوی یک رشته پلیمر DNA به همراه پروتئین های هیستونی H4 وH2B H2A, H3 است.در طی سال های اخیر محققین نشان داده اند که برخلاف سلول های سوماتیکی، هسته اسپرم مهره داران به دلیل جایگزینی هیستون ها با پروتامین ها، دارای کروماتین متراکم تری هستند.

 

فرایند اسپرماتوژنز

اسپرماتوژنز در پستانداران یک پروسه تخصص یافته است که باعث تقسیم و تمایز سلول های بنیادی اسپرماتوگونی به اسپرم بالغ می شود.  این پروسه شامل چندین فاز است.

  • فاز تکثیر میتوزی (سلول های بنیادی اسپرماتوگونی، یا خودنوزائی می کنند و یا به سلول های اسپرماتوسیت تمایز می یابند).
  • فاز میوزی (سلول های اسپرماتوسیت در طی دو مرحله تقسیم میوز، به اسپرماتید هاپلوئید گرد تمایز می یابد).
  • فاز اسپرمیوژنز که در این مرحله یکسری تغییرات مورفولوژیکی و سیتولوژیکی رخ می دهد که سبب تبدیل اسپرماتیدهای گرد به اسپرم های بالغ با سر کشیده می گردد.

ازجمله تغییرات اصلی در مرحله اسپرمیوژنز، تغییراتی در کروماتین اسپرم های هاپلوئید است که باعث متراکم شدن کروماتین اسپرم می گردد. در اولین مرحله از متراکم شدن، هیستون های مخصوص بیضه به جای هیستون های سوماتیک قرار می گیرند.

عملکرد پروتامین ها

در بیضه هیستون H1 وجود ندارد و هیستون H2 به دو شکل متفاوت H2AX و H2AZ دیده می شود و هیستون های H3 وH4 استیله هستند. استیله شدن بیش ازحد هیستون ها، باعث می گردد میل اتصال آن ها به DNA کمتر شده و DNA به حالت آزاد در آید. سپس با فعال شدن آنزیم توپوایزومراز، دو رشته ی DNA شکسته شده و اجازه می دهد. هیستون های بیضه با پروتئین های انتقالی 1 و 2 (TNP1)و (TNP2) جایگزین شوند و در نهایت( TNP (proteins nuclear transitionها با پروتامین های فسفریله جایگزین شده و باعث شکل گیری ساختارهای حلقوی (توروئیدال)و فشردگی DNA در هسته خواهند شد. پروتامین های پستانداران دارای باقیمانده های اسیدآمینه آرژنین می باشند که این اسیدآمینه باعث خنثی شدن بار منفی فسفات های DNA شده و درنتیجه باعث اتصالات قوی آن ها با رشته DNA خواهند شد.

همچنین این پروتامین ها حاوی اسیدآمینه سیستئین نیز می باشند که این اسیدآمینه ها سبب اتصالات دی سولفیدی درون مولکولی بین پروتامین ها شده و درنتیجه باعث فشردگی DNA اسپرم و افزایش پایداری کروماتین اسپرم می شوند. ژنوم انسان دو نوع پروتامین را کد می کند که شامل: پروتامین 1( P1 )و پروتامین 2( P2 ) است.

در مطالعاتی که روی پروتامین p2انجام دادند دریافتند  که P2 دارای گروه های کمتری از اسیدآمینه سیستئین است، بنابراین پیوندهای دی سولفیدی کمتری را ایجاد می نماید و این به لحاظ نظری، DNA را بیشتر آسیب پذیر نموده و باعث تغییر در بیان P2 خواهد شد. مشاهدات نشان داده اند که تغییر در بیان P2 در مردان نابارور رایج است.

تاثیر سیگار بر پروتامین

نتایج مطالعه دیگری که اثر سیگار کشیدن بر روی نسبت mRNA پروتامین 1 و 2 در اسپرم مردان نابارور را بررسی کرده، بیانگر این مطلب است که سیگار کشیدن سبب ایجاد عوامل استرس اکسیداتیو گردیده و همچنین اثر منفی بر روی اسپرم و درنهایت منجر به کاهش غیرطبیعی سطح mRNA پروتامین و ناباروری مردان سیگاری میگردد؛ بنابراین بررسی نسبت mRNA پروتامین اسپرم به عنوان یک فاکتور برای پیش بینی کیفیت اسپرم و قدرت باروری مطرح میگردد.

 

اختلالات در اسپرماتوژنز

تحقیقات اخیر مشخص نموده اند که در افراد بارور، نسبت پروتامین p2: p1 نزدیک به یک است؛ و تغییر در نسبت P1 به P2 می تواند منجر به نقایص اسپرماتوژنز و لقاح و باروری گردد که این اختلالات  را میتوان به دو علت نسبت داد؛

1 )عملکرد غیر طبیعی تنظیم کننده های رونویسی و ترجمه

2 )پروتامین ها به عنوان نقاط تنظیم بازرسی در اسپرماتوژنز عمل می کنند. و در نتیجه بیان غیرطبیعی آن می تواند القا پروسه آپوپتوز و کاهش کیفیت پارامترهای اسپرمی ازجمله تعداد، تحرک و مورفولوژی را به همراه داشته باشد.

کاهش پروتامین یا اختلال  در نسبت P2:P1 ،آسیب DNA را در افراد افزایش می دهد. علاوه بر این مشخص گردیده که عفونت های باکتریایی نیز می توانند سبب بروز اثرات منفی بر تراکم کروماتین اسپرم و نسبت P2:P1 گردد و همچنین، در این مطالعه ارتباط منفی بین عفونت های باکتریایی و پارامترهای اسپرمی (غلظت و تحرک)گزارش شده است .

همچنین دانشمندان در گزارش های دیگری نیز اذعان نموده اند که هر گونه نقص و تغییر در بسته بندی کروماتین، باعث شده که اسپرم در برابر فاکتورهای مخرب مانند: اندونوکلئازها و رادیکال های آزاد آسیب پذیر شود. و در نهایت منجر به فراگمنتاسیون DNA و کوتاهی طول تلومر گردد.

در این راستا ارتباط معکوس بین اسپرمهای حاوی آسیب DNA و کمبود پروتامین با طول تلومر یافتند که این موضوع بیانگر این مطلب است که بسته بندی غیرطبیعی کروماتین، سبب کوتاهی طول تلومر اسپرم و درنتیجه تأثیر منفی بر میزان باروری اسپرم می گذارد .

عوامل موثر در آسیب DNA

علاوه بر کمبود پروتامین، عوامل متعددی می تواند در آسیب DNA اسپرم نقش داشته باشد که شامل موارد زیر است:

1 )آپوپتوز (مرگ برنامه ریزی شده سلول) در روند اسپرماتوژنز

2 ) نقص در فعالیت توپوایزومراز 2 :دریافتند که حذف پروتامین ها در اسپرم منجر به برش کامل DNA به وسیله ی توپوایزومرازها و آنزیم نوکلئاز شده و این نشان دهنده ی پروتامینه شدن ناقص است که درنتیجه باعث افزایش آسیب DNA و ناباروری خواهد شد.

3 )افزایش تولید ROS( گونه های فعال اکسیژن)و آسیب DNA اسپرم: بسته بندی محکم DNA و حضور آنتی اکسیدان ها در مایع پلاسما باعث محافظت DNA در برابر استرس اکسیداتیو خواهد شد. مطالعات متعددی نشان داده اند که اسپرمهایی که در معرض ROS قرارگرفته اند، آسیب DNA و تغییرات کروموزومی در آن ها بیشتر بوده است.

 

گلوبوزواسپرمی و پروتامین

محققین دریافتند که بین بیماران نابارور گلوبوزواسپرمی ( اسپرم های سر گرد) و کاهش پروتامین ارتباطاتی وجود دارد. گلوبوزواسپرمی یک ناهنجاری شدید مورفولوژی اسپرم است که منجر به ناباروری اولیه و کاهش لقاح پس از تزریق داخل سیتوپلاسمی اسپرم (ICSI )خواهد شد. عدم فعال شدن تخمک به عنوان عامل اصلی شکست در لقاح پس از ICSI در نظر گرفته میشود؛ بنابراین فعالسازی مصنوعی تخمک  Artificial Activation oocyte ) AOA) معمولا به همراه ICSI انجام خواهد شد.

نتیجه

تراکم هسته اسپرم ازجمله رخدادهای اصلی در فرایند اسپرمیوژنز است. هرگونه نقص در بسته بندی کروماتین می تواند باعث کمبود پروتامین در ساختار کروماتینی اسپرم گردد.  و لذا به جای تراکم هسته، کروماتین حالت ازاد به خود می گیرد که در برابر حمله رادیکال های آزاد در امان نیست و منجر به استرس های اکسیداتیو می شود؛ بنابراین، ساختار DNA اسپرم مستعد شکستگی می گردد و این اسپرم ها توانایی باروری تخمک را ندارند و درنهایت کاهش پتانسیل باروری فرد را موجب میشوند. با استفاده از درمان آنتی اکسیدانی میتوان تا حدی فرایند اسپرماتوژنز را بهبود بخشید تا اسپرم تولیدشده با تراکم مناسب کروماتین و کیفیت بهتری ازلحاظ شکل، تحرک و تعداد برخوردار باشد.