Генетика мужского бесплодия

Слайд 1
Генетика мужского бесплодия
Ана Каролина Жапур Роза де Са э Сильва, врач, д.м.н
Мария Сильвина Хочниук де Восси, магистр, генетик
Добро пожаловать в главу 4.
Глава "Генетика мужского бесплодия".
Авторы: Ана Каролина Жапур Роза де Са э Сильва и Мария Сильвина Хочниук де Восси.
Слайд 2
Genetic or molecular causes of
male infertility
Numerical and structural chromosomal abnormalities,
including Y chromosome microdeletions
Mitochondrial DNA mutations
Monogenic disorders
Multifactorial disorders
Infertile men with a normal karyotype, including germinal
mosaics
Poongothai J, Gopenath T S, Manonayaki S Genetics of human male infertility. Singapore Med J 2009; 50(4) : 336
Генетические или молекулярные причины мужского бесплодия
 Численные и структурные хромосомные аномалии, в том числе микроделеции Y
хромосомы
 Мутации митохондриальной ДНК
 Моногенные заболевания
 Многофакторные заболевания
 Бесплодные мужчины с нормальным кариотипом, включая гонадный мозаицизм
У мужчин с олигозооспермией или азооспермией неизвестной этиологии часто
присутствуют генетические отклонения, включая отклонения в числе или строении
хромосом, например микроделеции хромосомы Y.
К другим генетическим или молекулярным причинам причин мужского бесплодия
относятся: мутации митохондриальной ДНК, моногенные и многофакторные заболевания.
У бесплодных мужчин с нормальным кариотипом, с учетом гонадного мозаицизма,
причиной могут быть молекулярные аномалии.
Слайд 3
Гены-кандидаты мужского бесплодия
 10% генов человека могут быть связаны со сперматогенезом и фертильностью
 Более 400 генов-кандидатов
 «Эра Геномики» —► Инструмент для будущих исследований
Генетики утверждают, что 10% генов человека могут быть связаны со сперматогенезом и
фертильностью. В литературе более 400 генов упоминается в качестве генов-кандидатов
мужского бесплодия. Расшифровка генома человека предоставила новые возможности
для будущих исследований мужского бесплодия. Обнаружение новых типов генетического
полиморфизма, регуляции экспрессии генов и отдельных генов, связанных с мужским
бесплодием, стало возможным благодаря геномике, позволяющей нам лучше понять
строение и функции ДНК.
Развитие геномики важно для лучшего понимания генетических механизмов, лежащих в
основе бесплодия, максимальные результаты в этой области можно достичь при
объединении усилий и ресурсов для проведения научных исследований для решения
основных проблем.
Слайд 4
Численные и структурные хромосомные аномалии
 47,XYY
 47,XXY
 Реципрокные и Робертсоновские транслокации
 Инверсии: парацентрические и перицентрические
 Микроделеции Y хромосомы
Некоторые численные и структурные хромосомные аномалии имеют большое значение в
репродуктивной генетике. Примерами таких аномалий являются 47, XXY, 47, XYY,
Робертсоновские и реципрокные транслокации, парацентрические и перицентрические
инверсии и микроделеции Y хромосомы.
Слайд 5
Синдром Клайнфельтера (47, XXY)
 Пациенты являются кандидатами для ИКСИ.
 Лишняя хромосома, по-видимому, удаляется в процессе сперматогенеза
 Частота анеуплоидии по половым хромосомам колеблется от 1,5 до 7% в сперме
пациентов с мозаичным вариантом синдрома Клайнфельтера и от 2 до 45% в
сперме больных с немозаичным кариотипом 47, XXY
У больных с мозаичным и немозаичным вариантами синдрома Клайнфельтера (47, XXY)
наблюдаются серьезные нарушения сперматогенеза, тяжелая олигозооспермия или
азооспермия. Тем не менее такие больные являются кандидатами для ИКСИ, особенно с
использованием новых методов получения сперматозоидов из яичек. В некоторых
исследованиях хромосом спермы пациентов с синдромом Клайнфельтера было показано,
что лишняя половая хромосома, по-видимому, удаляется в процессе сперматогенеза. В
исследованиях с использованием метода FISH (флюоресцентная гибридизация in situ)
было показано, что частота анеуплоидии по половым хромосомам колеблется от 1,5%
(Lim и соавт., 1999 г.) до 7% (Крузе и соавт., 1998 г.) в сперме больных с мозаичным
вариантом синдрома Клайнфельтера, и от 2% (Rives и соавт., 2000 г.) до 45% (Estop и
соавт., 1998) в сперме больных немозаичным вариантом.
Большинство детей, рожденных от мужчин с кариотипом 47, XXY здоровы, хотя
сообщалось о случаях рождения детей с хромосомными аномалиями (Ron-el и соавт.,
2000 г., Фридлер и соавт., 2001 г.). В 2003 г., Staessen и соавт. изучили 113 эмбрионов в
рамках преимплантационной генетической диагностики (ПГД) и обнаружили значительное
увеличение частоты аномалий аутосом и половых хромосом. Таким образом, риск
хромосомных аномалий у детей таких больных несколько выше.
Слайд 6
47, XYY
 Теоретически до 50% сперматозоидов могут иметь отклонения от нормы.
 Но существуют и некоторые противоречия:
Хотя мужчины с кариотипом 47, XYY, как правило, считаются бесплодными, в некоторых
случаях, они могут сохранять фертильность. У многих из фертильных мужчин с
кариотипом 47, XYY рождаются здоровые дети. Однако, систематический анализ детей,
рожденных от таких больных, не проводился. Теоретически, 50% сперматозоидов у
больных с 47, XYY имеют отклонения от нормы.
Слайд 7




47,XYY
Клинический случай: 75 кариотипов сперматозоидов пациентов с 47, XYY,
сперматозоиды с лишней половой хромосомой (дисомией) не обнаружены
Более высокая частота встречаемости анеуплоидных сперматозоидов в 0,3-15%
Олигозооспермия может указывать на более значительные нарушения во время
синапсиса, с последующей потерей гоноцитов или выработкой анеуплоидных
сперматозоидов.
Клинический случай: два мужчины 47, XYY с тяжелой олигозооспермией  частота
анеуплоидных сперматозоидов (37-38%), 50% анеуплоидиных половых хромосом
Как отмечалось на предыдущем слайде, 50% сперматозоидов у мужчин 47, XYY должны
иметь отклонения от нормы, однако при изучении 75 кариотипов сперматозоидов таких
мужчин, проведенном Benet и Martin в 1988 году, сперматозоиды с дисомией по половым
хромосомам обнаружены не были. Этот результат подтверждает гипотезу о том, что
лишние половые хромосомы удаляются в процессе сперматогенеза.
Другие авторы, например Mercier и соавт., Chevret и соавт. и Shi и Martin показали, что
доля сперматозоидов с лишними половыми хромосомами у больных находится в
диапазоне от 0,3% до 15%. В большинстве исследований с использованием
стандартизированного трехцветного варианта метода FISH доля сперматозоидов с
кариотипом 24, YY или 24, XY составляла менее 1%. Однако в недавнем докладе
Gonzalez-Merinoet и соавт. (2007 г.) у двух больных 47, XYY с тяжелой олигозооспермией
отмечалась более высокая доля анеуплоидных сперматозоидов (37-38%), при этом
приблизительно у половины сперматозоидов с патологическим кариотипом наблюдалась
анеуплоидия половых хромосом. В этом исследовании также была показана
соответствующая частота анеуплоидии у предимплантационных эмбрионов в 32%. В
связи с тем, что у многих пациентов 47,XYY имеются нормальные показатели
сперматогенеза, тяжелая олигозооспермия у таких больных может указывать на более
значительные нарушения во время конъюгации хромосом при мейозе, с последующей
потерей гоноцитов или выработкой анеуплоидных сперматозоидов.
Слайд 8
Транслокации
 Робертсоновские
У носителей робертсоновских транслокации имеются слившиеся в одну хромосому
два длинных плеча двух акроцентрических хромосом.
Доля сперматозоидов с несбалансированными транслокациями ниже, чем
ожидалось теоретически, и составляет от 3 до 40% (в среднем 15%)
По данным пренатальной диагностики, доля несбалансированных транслокаций
еще ниже, только 1-2% Робертсоновских транслокаций, полученных от родителя,
являются несбалансированными
У носителей робертсоновских транслокации имеются слившиеся в одну хромосому два
длинных плеча двух акроцентрических хромосом. Короткие плечи (содержащие
избыточную ДНК), как правило, теряются, таким образом у носителя остается
сбалансированный кариотип с 45 хромосомами. В процессе мейоза из таких хромосом
образуются триваленты, образующаяся в результате гамета может быть нормальной или
анеуплоидной − с лишним или недостающим длинным плечем хромосомы.
Доля сперматозоидов с несбалансированными транслокациями ниже, чем теоретически
ожидалось, и составляет от 3-27%. Это было продемонстрировано в исследованиях
Martin в 1995 г. и Ogawa и соавт. в 2000 г.
Кроме того, по данным Boué и Gallano (1984 г.) во время пренатальной диагностики, доля
несбалансированных транслокаций еще ниже; только 1-2% Робертсоновских
транслокаций, полученных от родителя, оказываются несбалансированными.
Слайд 9
Транслокации
 Робертсоновские
Обмен хромосомного материала может происходить между любыми хромосомами
Риск мейотического дисбаланса в первую очередь зависит от того, между какими
хромосомами произошла транслокация и от локализации точек разрыва.
Исследования кариотипа сперматозоидов 37 гетерозигот с реципрокными
транслокациями, показали, что 19-77% сперматозоидов имеют несбалансированные
транслокации.
Частота несбалансированных транслокаций во время пренатальной диагностики
составляет около 12%, следовательно, пациентам рекомендуется проведение
предимплантационного генетического исследования
Реципрокные транслокации характеризуются обменом хромосомного материала между
любыми хромосомами. В этих случаях, во время мейоза, образуются тетрады из
хромосом с транслокациями их расхождение приводит к образованию гамет с
недостающим или избыточным генетическим материалом; частота образования
несбалансированных выше, чем при Робертсоновских транслокациях.
Риск мейотического дисбаланса в первую очередь зависит от того, между какими
хромосомами произошла транслокация, и от точек разрыва.
Исследования кариотипа сперматозоидов 37 гетерозигот с реципрокными
транслокациями, проведенные Estop и соавт. (1995 г.) Martin и Spriggs (1995 г.) и Cifuentes
и соавт. (1999 г.), показали, что 19-77% сперматозоидов имеют несбалансированные
транслокации.
В таком случае, частота несбалансированных транслокаций у потомства во время
пренатальной диагностики составляет около 12% (Boué и Gallano, 1984 г.). Таким
пациентам рекомендуется пренатальная генетическая диагностика.
Слайд 10
Инверсии
 Инверсия: в одной хромосоме происходит два разрыва, фрагмент между
разрывами соединяется с отделившимися участками хромосомы в обратном
положении.

Количество хромосом правильное, однако конъюгация гомологичных хромосом в
процессе мейоза нарушена

Если между гомологичными хромосомами произойдет один обмен в пределах
инвертированного участка, могут образоваться гаметы с недостающими или
лишними фрагментами хромосом
Парацентрическая: в пределах одного плеча
Перицентрическая: два плеча, по обе стороны от центромеры
Инверсия происходят, когда хромосома разрывается в двух местах, а затем соединяется с
образовавшимся посередине фрагментом в перевернутом положении. Количество
хромосом правильное, неправильный порядок генов затрудняет взаимодействие
гомологичных хромосом в процессе мейоза
Если между гомологичными хромосомами произойдет один обмен в пределах
инвертированного участка, могут образоваться гаметы с недостающими или лишними
фрагментами хромосом. Если обе точки разрыва находятся на одном плече, такую
инверсию называют парацентрической. Если в пределах инвертированного участка
произойдет один кроссинговер, половина гамет будут нормальными, четверть
ацентричными (будут потеряны) и четверть дицентричными (что может привести к
разрыву между центромерами образованию несбалансированных хромосом). Если точки
разрыва находятся по разные стороны от центромеры, такую инверсию называют
перицентрической.
Слайд 11
Инверсии
 Парацентрические
Риск образования жизнеспособных рекомбинантов оценивается в 3,8%
 Перицентрические
При пренатальной диагностике выявление составляет 10-15%
Исследования с использованием метода FISH с участием 24 носителей
перицентрических инверсий показали, что доля рекомбинантных хромосом составляет 054%
В 1995 году Pettenatti и соавт. по результатам своего исследования предположили, что
риск образования жизнеспособных рекомбинантов составляет примерно 3,8%.
В исследовании Anton и соавт. в 2007 г. метод FISH показал наличие 1% сперматозоидов с
рекомбинантными хромосомами, у данного пациента присутствовали как дицентрические,
так и ацентрицеские хромосомы.
При перицентрических инверсиях, риск несбалансированных сегрегантов составляет 1015%. Исследования с использованием метода FISH с участием 24 носителей
перицентрических инверсий показали, что доля рекомбинантных хромосом составляет 054%.
Слайд 12
Микроделеции Y хромосомы
 Гетерохроматин Y хромосомы:
- 95% последовательности не рекомбинируется
Нестабильность в процессе мейоза
Несмотря на то, хромосома Y является одной из самых маленьких хромосом в геноме
человека, она содержит более 60 миллионов нуклеотидов. Однако, по сравнению с
другими хромосомами она содержит наименьшее количество генов и действует как
генетическая детерминанта мужских половых признаков.
Около 95% последовательности ДНК не рекомбинируется, и присутствует только у
мужчин.
Слайд 13
Это схематическое изображение Y хромосомы и так называемого участка фактора
азооспермии. Гены, обуславливающие развитие мужских половых клеток, присутствуют в
Y хромосомах разных видов. У человека, участок, отвечающий за сперматогенез,
располагается в эухроматической части длинного плеча Y хромосомы (Yq11). Он был
назван как «фактор азооспермии».
Слайд 14
Тестикулярные фенотипы микроделеций Y хромосомы
 Связь между участком микроделеции и клиническими проявлениями
- Участок a фактора азооспермии: полное отсутствие сперматогоний или, в редких
случаях, частичная остановка сперматогенеза из-за тяжелой олигозооспермии
- Участок b фактора азооспермии: широкий спектр от азооспермии до легкой
олигозооспермии
- Участок c фактора азооспермии: широкий спектр от азооспермии до умеренной
олигозооспермии
- Участок d фактора азооспермии: широкий спектр от азооспермии до нормы (связана с
патологической морфологией не менее 90% сперматозоидов, включая отсутствие
акросом)
В публикации Kent-First и соавт., 1999 г., указывается, что тестикулярные фенотипы,
определяемые по анализу спермы, и гистология яичек варьируют в зависимости от
участка микроделеции Y хромосомы.
Микроделеции в участке a фактора азооспермии связаны с наиболее тяжелыми
изменениями сперматогенеза,вплоть до полного отсутствия сперматогоний или, в редких
случаях, с частичным прекращением сперматогенеза из-за тяжелой олигозооспермии.
Тестикулярные фенотипы, связанные с микроделециями участка c фактора азооспермии
обычно варьируют от азооспермии до умеренной олигозооспермии, тогда как для
микроделеций участка b характерен диапазон от азооспермии до легкой
олигозооспермии.
У лиц с микроделециями участка d фактора азооспермии возможен самый широкий
спектр фенотипов, от азооспермии до нормального числа сперматозоидов (при этом не
менее 90% сперматозоидов имеют патологическую морфологию, включая отсутствие
акросом).
Большие делеции, включающие несколько участков фактора азооспермии, как правило,
характеризуются фенотипами, сходными с таковыми при делеции участка a.
Слайд 15
Микроделеции Y хромосомы
 Частота встречаемости: 3-18% мужчин с тяжелыми нарушениями выработки
спермы, включая азооспермию
 Делеции в участка с фактора азооспермии: У 2/3 мужчины в эякуляте
присутствуют сперматозоиды. У мужчин с азооспермией в яичках
вырабатываются сперматозоиды. У них рекомендовано использование метода
TESE (тестикулярная экстракция сперматозоидов).
 Как только у мужчины делецией участка c фактора азооспермии получены
сперматозоиды, либо из эякулята, либо с помощью TESE, успешность
оплодотворения и беременности после интрацитоплазматической инъекции
сперматозоида (ИКСИ) аналогичны результатам, полученным у других пар
(сопоставимых по уровню выработки сперматозоидов и времени наблюдения).
Различные исследования показали, что у 3-18% мужчин с тяжелыми нарушениями
выработки сперматозоидов, включая азооспермию, имеются делеции Y хромосомы. На
фертильность обычно влияют делеции делеции в участках a, b или c фактора
азооспермии.
Также описан дополнительный участок Y хромосомы известный как участок d фактора
азооспермии. Однако позднее было установлено, что участок d фактора азооспермии
находится в пределах участка c и не имеет прогностической значимости. Примерно у
двух третей мужчин с делециями в участке c в эякуляте присутствуют сперматозоиды
(тяжелая олигозооспермия). У мужчин с такими делециями и азооспермией,
сперматозоиды обычно вырабатываются в яичках, и метод TESE у них, по крайней мере,
не менее эффективен чем у других больных с необструктивной азооспермией, у которых
общий уровень успешности процедуры составляет 58%.
Слайд 16
Микроделеции Y хромосомы
 Делеции участка b фактора азооспермии: вероятность обнаружения
сперматозоидов в эякуляте или в яичках крайне мала, метод TESE не
рекомендуется
 Делеции участка a фактора азооспермии: 9% мужчин с необструктивной
азооспермией и синдромом клеток Сертоли.
Частичная делеция: гоноциты определяются на биопсии яичек. Полная делеция:
сперматозоиды отсутствуют.
У мужчин с делециями участка b фактора азооспермии вероятность обнаружения
сперматозоидов в эякуляте или в яичках крайне мала, метод TESE им не рекомендуется.
В исследовании Santos и соавт. сперматозоиды отсутствовали у всех 23 мужчин с
делециями участка b, которым проводили TESE или чрескожную аспирацию
сперматозоидов (Schlegel, 2007).
Таким образом, мы не рекомендуем TESE мужчинам с полными делециями участка b
фактора азооспермии. В целом, примерно у 9% мужчин с необструктивной азооспермией
и синдромом клеток Сертоли при диагностической биопсии яичек присутствуют делеции
участка a фактора азооспермии? как показали Vogt и Edelmann в 1996 г.
Важно проводить различие между частичной и полной делецией участка фактора
азооспермии, так как при частичной делеции имеется вероятность получения
сперматозоидов из яичек. На настоящий момент не удавалось получить сперматозоиды у
пациентов с полной делецией участка b или c фактора азооспермии.
Слайд 17
Мутаций митохондриальной ДНК
 Митохондрии имеют собственный геном, они способны вырабатывать многие
важные компоненты дыхательной цепи, которые оказывают значительное
влияние на подвижность сперматозоидов
 Митохондрии сперматозоидов играют важную роль в жизнедеятельности этих
клеток из-за их высокой потребности в аденозинтрифосфате (АТФ).
Белки митохондрий закодированы не только в хромосомах ядра, но и в ее собственной
ДНК. Они оказывают значительное влияние на подвижность сперматозоидов, так как
способны вырабатывать многие важные компоненты дыхательной цепи.
На качество и количество вырабатываемых сперматозоидов в высокой степени могут
влиять как генетические так и экологические факторы. Митохондрии сперматозоидов
играют важную роль в жизнедеятельности этих клеток из-за их высокой потребности в
аденозинтрифосфате (АТФ).
Слайд 18
Моногенные заболевания и многофакторные заболевания
 Моногенные заболевания являются результатом дефекта в одном гене
Носители рецессивного аллеля муковисцидоза: врожденное двустороннее
отсутствие семявыносящих протоков
Дефекты рецепторов андрогенов
 Многофакторные расстройства являются результатом мутаций в нескольких
генах, часто в сочетании с факторами окружающей среды
Моногенные заболевания − прямой результат мутации в одном гене. Такие заболевания
наследуются согласно законам Менделя. К мужскому бесплодию могут приводить более
50 моногенных заболеваний; генетические дефекты, приводящие к развитию
заболевания, описаны только для некоторых из них. К примерам относятся муковисцидоз
с врожденным двусторонним отсутствием семявыносящих протоков и дефекты
рецепторов андрогенов.
Многофакторные расстройства являются результатом мутаций в нескольких генах, часто
увеличивающихся в результате воздействия факторов окружающей среды.
Слайд 19
Гонадный мозаицизм
 У мужчин с нормальным соматическим кариотипом в яичках могут быть линии
патологически измененных сперматозоидов.
 У субфертильных мужчин в мейотических хромосомах обнаруживались
определенные нарушения, включая лишние хромосомы, низкую частоту хиазм,
асинапсис и транслокации.
 Многие из этих нарушений отмечались не у всех сперматозоидов (мозаицизм),
вероятно вследствие того, что мутация произошла во время мейоза.
У мужчин с нормальным соматическим кариотипом в яичках могут быть линии
патологически измененных сперматозоидов. Как показал Martin в 2008 году, у таких
людей присутствует гонадный мозаицизм, его наличие сложно обнаружить без
проведения биопсии яичек. Согласно Chandley и соавт., в исследовании мужчин, которым
проводилась дианостическая биопсия яичек, у 52% пациентов с нормальным кариотипом
наблюдалась нормальная гистологическая картина яичек, у 31% присутствовало общее
снижение сперматогенеза и у 8% было выявлено замедление последних стадий
сперматогенеза. У 10% был обнаружен синдром клеток Сертоли. Приблизительно у 20%
этих пациентов в мейотических хромосомах обнаруживались определенные нарушения,
включая лишние хромосомы, низкую частоту хиазм, асинапсис и транслокации. Многие
из этих нарушений отмечались не у всех сперматозоидов (мозаицизм), согласно Hendry и
соавт. это вероятно было следствием того, что мутация произошла во время мейоза.
Слайд 20
Целесообразность анализа спермы
 В ряде исследований было показано, что у мужчин с высокой долей
анеуплоидных сперматозоидов рождаются дети с пороками развития
 Риск получения эмбриона с хромосомными аномалиями прямо пропорционален
доле анеуплоидных сперматозоидов
 Пороговая величина: 3% диплоидии и дисомии хромосом X, Y, 13,18 и 21
В ряде исследований было показано, что у мужчин с высокой долей анеуплоидных
сперматозоидов рождаются дети с пороками развития.
Согласно Martin и соавт., в исследовании мужчин с бесплодием в 1986 г. у одного мужчины
доля сперматозоидов с кариотипом 24, XY была в 9 раз выше чем в контрольной группе.
Как сообщил Moosani и соавт. в 1999 году от этого мужчины после
интрацитоплазматической инъекции сперматозоида был зачат эмбрион с кариотипом 47,
XXY.
Gianaroli и соавт. изучили анеуплоидию сперматозоидов и ее корреляцию с результатами
анализа бластомер в рамках предимплантационной генетической диагностики пар. Они
обнаружили более высокую частоту моносомий и трисомий у эмбрионов, зачатых с
использованием сперматозоидов, полученных при аспирации из придатка яичка или в
результате микрохирургической экстракции из яичка. Кроме того, риск анеуплоидии
половых хромосом увеличивался пропорционально тяжести состоянии мужчины.
Пороговая величина составляет около 3% диплоидии и дисомии хромосом X, Y, 18 и 21.
Авторы сделали заключение, что анализ спермы методом FISH следует включить в ряд
предварительных анализов страдающих бесплодием пар, особенно в случае
неоднократных безуспешных попыток экстракорпорального оплодотворения.
Эти предварительные исследования показывают наличие взаимосвязи между
анеуплоидией сперматозоидов у мужчины и исходом ИКСИ.
Заключение
 Генетическая диагностика является полезным и важным инструментом в лечении
мужского бесплодия
 Результаты генетических исследований помогают улучшить исходы ИКСИ
 У мужчин с нормальным кариотипом в яичках могут быть линии патологически
измененных сперматозоидов
 Все генетические отклонения должны учитываться при диагностике бесплодия
В заключение следует сказать, что генетическая диагностика является полезным и
важным инструментом в лечении мужского бесплодия и несомненно помогает улучшить
исходы ИКСИ. Следует иметь в виду, что у мужчин с нормальным кариотипом в яичках
могут присутствовать линии патологически измененных сперматозоидов, что получило
название гонадного мозаицизма. И, наконец, в контексте процедур ВРТ все генетические
отклонения должны учитываться при выборе тактики лечения бесплодных пар, так как к
нарушениям сперматогенеза могут приводить не только микроделеции Y хромосомы.