Фрагментация ДНК в сперматозоидах млекопитающих и методы ее исследования (обзор)

Цель: систематизирование и анализ научной информации о фрагментации ДНК сперматозоидов сельскохозяйственных животных и методах ее исследования.

Не так давно был обнаружен один из факторов, негативно влияющих на фертильность самцов-производителей - фрагментация ДНК сперматозоидов. Многочисленными исследованиями установлено, что фрагментация ДНК — это разрыв нитей ДНК на части. По мнению Agarwal A. (2003), фрагментация ДНК сперматозоидов является наиболее частым нарушением ультраструктуры сперматозоидов. По данным Baumber J. с соавт. (2003) определение фрагментации ДНК сперматозоидов в настоящее время является одним из современных методов оценки качества спермы. Многочисленными исследованиями сформирован пул данных о факторах, вызывающих фрагментацию ДНК в сперматозоидах. Так, Baumber J. с соавт. (2003) в своих исследованиях указывает на то, что причиной фрагментации ДНК могут быть проблемы с ремоделированием хроматина, апоптозом и окислительными процессами в сперме. Исследованиями, проведенными Абонеевым В. В. с соавтор. (2021) установлено, что при тяжелых формах патозооспермии количество сперматозоидов с фрагментированной ДНК выше, чем при менее выраженных нарушениях сперматогенеза [24]. Появление аномальных и малоподвижных сперматозоидов в эякуляте является одним из косвенных маркеров повышения индекса фрагментации ДНК в сперматозоидах, что негативно отражается на оплодотворяющей способности спермы. В связи с этим исследование фрагментации ДНК сперматозоидов является эффективным диагностическим методом определения фертильности. Учитывая некоторые патофизиологические аспекты, приводящие к фрагментации ДНК, определение индекса данного процесса априори не может быть рутинным.  В настоящее время активно используются такие высокоточные методы как TUNEL (terminal deoxynucleotidyl transferase dUTP nick end labeling) – маркировка концов разорванной молекулы, SCSA (Sperm Chromatin Structure Assay) – исследование дисперсии хроматина сперматозоидов, Comet (Single-cell gel electrophoresis assay, Cometassay) – способен выявить разрывы в одиночных клетках, SCD (Sperm Chromatin Dispersion test) – тест на дисперсию хроматина и др.

1. Agarwal A. Role of sperm chromatin abnormalities and DNA damage in male infertility / A. Agarwal, T. M. Said // Hum Reprod Update. – 2003. – № 9(4). – Р. 331–45. Doi: 10.1093/humupd/dmg027.

2. Kumar K. Predictive value of DNA integrity analysis in idiopathic recurrent pregnancy loss following spontaneous conception / K. Kumar, D. Deka, A. Singh et al. // J Assist Reprod Genet. – 2012. – № 29(9). – P. 861–867. Doi: 10.1007/510815-012-9801-3.

3. Castro L. S. Effect of bovine sperm chromatin integrity evaluated using three different methods on in vitro fertility / L. S. Castro, A. F. P. Siqueira, T. R. D. S. Hamilton, C. M. Mendes, J. A. Visintin, M. E. O. A. Assumpcao // Theriogenology. (2018) 107:142–8. Doi: 10.1016/j.theriogenology.2017.11.006.

4. Baumber J. Reactive oxygen species and cryopreservation promote DNA fragmentation in equine spermatozoa / J. Baumber, B. A. Ball, J. J. Linfor, S. A. Meyers // J Androl. – 2003. – № 24. – Р. 621–628. Doi: 10.1002/j.1939-4640.2003.tb02714.x.

5. Gonzalez-Marin C. Types, causes, detection and repair of DNA fragmentation in animal and human sperm cells / C. Gonzalez-Marin, J. Gosalvez, R. Roy // Int J Mol Sci. – 2012. – № 13. – 14026–14052. Doi: 10.3390/ijms131114026.

6. Гнездилова Л. А. Сравнительный анализ показателей криоконсервированной и свежеполученной спермы баранов-производителей романовской породы / Л. А. Гнездилова, А. А. Борунова, А. А. Кочконян // Вестник КРАСГАУ. – 2021. – № 10 (175). – С. 135–143.

7. Evenson D. P. Relationships between the age of 25,445 men attending infertility clinicsand sperm chromatin structure assay (SCSA®) defined sperm DNA and chromatin integrity / D. P. Evenson, G. Djira, K. Kasperson, J. Christianson // Fertil Steril. – 2020. – №114(2). – Р. 311–320. Doi: 10.1016/j.fertnstert.2020.03.028.

8. Kadioglu A. The role of sperm DNA testing on male infertility / A. Kadioglu, M. Ortac // TranslAndrol Urol. – 2017. – № 6. – Р. 600. Doi: 10.21037/tau.2017.03.82.

9. Kumaresan A. Sperm viability, reactive oxygen species, and DNA fragmentation index combined can discriminate between above-and below-average fertility bulls / A. Kumaresan, A. Johannisson, E. M. Al-Essawe, J. M. Morrell // J Dairy Sci. – 2017. – № 100. – P. 5824–5836. Doi: 10.3168/jds.2016-12484.

10. Cande C. Apoptosis-inducing factor (AIF): caspase-independent after all / C. Cande, N. Vahsen, C. Garrido // Cell Death Differen. – 2004. – № 11. – Р. 591–595. Doi: 10.1038/sj.cdd.4401400.

11. Fortes M. R. S. Sperm protamine deficiency correlates with sperm DNA damage in Bos Indicus bulls / M. R. S. Fortes, N. Satake et al. // Andrology. – 2014. – № 2. – Р. 370–378. Doi: 10.1111/j.2047-2927.2014.00196.x.

12. Gajski G. Application of the comet assay for the evaluation of DNA damage in mature sperm / G. Gajski, S. Ravlic et al. // Mutation Research-Reviews in Mutation Research. – 2021.– Р. 788. Doi: 10.1016/j.mrrev.2021.108398.

13. Hamilton T., de Castro L. S. et al. Induced lipid peroxidation in ram sperm: semen profile, DNA fragmentation and antioxidant status, M. E. O. d’Avila Assumpcao, 2016.

14. Hirsh A. Male subfertility / A. Hirsh // BMJ. – 2003. – № 327. – Р. 669–672. Doi: 10.1136/bmj.327.7416.669.

15. Lewis S. E. The impact of sperm DNA damage in assisted conception and beyond: recent advances in diagnosis and treatment / S. E. Lewis, R. J. Aitken et al. // Reprod Biomed Online. – 2013. – № 27. – Р. 325–337. Doi: 10.1016/j.rbmo.2013.06.014.

16. Lopez-Fernandez C. Dynamics of Sperm DNA Fragmentation in Domestic Animals: II. The Stallion / C. Lopez-Fernandez, F. Crespo et al. // Theriogenology. – 2007. – № 68. – Р. 1240–1250.

17. Schulte R. T. Sperm DNA damage in male infertility: etiologies, assays, and outcomes / R. T. Schulte, D. A. Ohl, M. Sigman, G. D. Smith // J Assist Reprod Genet. – 2010. – № 27. – P. 3–12. Doi: 10.1007/s10815-009-9359-x.

18. Pena F. J. Redox regulation and oxidative stress: the particular case of the stallion spermatozoa / F. J. Pena, C. O'Flaherty et al. // Antioxidants. – 2019. – № 8. – Р. 67. Doi: 10.3390/antiox8110567.

19. Kuchakulla M., Narasimman M. et al. How defective spermatogenesis affects sperm DNA integrity / M. Kuchakulla, M. Narasimman et al. // Andrologia. – 2020. – e13615. Doi: 10.1111/and.13615.

20. Peris-Frau P. Comparative evaluation of DNA integrity using sperm chromatin structure assay and Sperm-Ovis-Halomax during in vitro capacitation of cryopreserved ram spermatozoa / P. Peris-Frau, M. Alvarez-Rodriguez et al. // Reprod Domestic Anim. – 2019. – № 54. – Р. 46–49. Doi: 10.1111/rda.13519.

21. Ram. C. Lopez‐Fernandez, J. L. Fernandez at al. Dynamics of sperm DNA fragmentation in domestic animals III. LessPublished in Theriogenology, 2008.

22. Tesarik J. Late, but not early, paternal effect on human embryo development is related to sperm DNA fragmentation / J. Tesarik, E. Greco, C. Mendoza // Hum Reprod. – 2004. – № 19. – Р. 611–615. Doi: 10.1093/humrep/deh127.

23. Thippeswamy V. B. Effects of pedigree and exotic genetic inheritance on semen production traits of dairy bulls / V. B. Thippeswamy, S. S. Layek et al. // Asian Pacific J Reprod. – 2014. – № 3. – Р. 13–17. Doi: 10.1016/S2305-0500(13)60178-5.

24. Абонеев В. В. Воспроизводительные качества тонкорунных овец при разных технологиях содержания / В. В. Абонеев и др. // Актуальные проблемы интенсивного развития животноводства. – 2021. – №24-1. – С. 36–43.

25. Кочконян А. А. Морфофунциоанальные характеристики спермопродукции баранов-производителей романовской породы: автореф. на соиск. ученой степ. канд. вет. наук: 06.02.06 – ветеринарное акушерство и биотехника репродукции животных. – М, 2022. – 24 с.

26. Vince S., Zaja I. et al. Age-related differences of semen quality, seminal plasma, and spermatozoa antioxidative and oxidative stress variables in bulls during cold and warm periods of the year. less Published in Animal, 2017.