Khả năng sinh sản của nam giới phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như: bẩm sinh, nội tiết, miễn dịch, ung thư, lối sống… Đặc biệt, các yếu tố liên quan đến các tổn thương về mặt di truyền như bất thường kiểu gen, đột biến đơn gen… thì ảnh hưởng nghiêm trọng đến sinh sản và có khả năng gây vô sinh ở nam giới. Nhiều nghiên cứu đã đưa ra các yếu tố ảnh hưởng của noãn lên sự thành công của chu kỳ IVF nhưng ảnh hưởng của tinh trùng vẫn chưa được đánh giá toàn diện. Vì vậy, bài viết này nhằm đưa ra một số yếu tố di truyền từ tinh trùng có thể ảnh hưởng đến các kết cục sinh sản như: sự bất thường về cấu trúc, phân mảnh DNA tinh trùng, khiếm khuyết thượng di truyền (epigenetics) tinh trùng… Sự hiểu biết về các vấn đề này có thể giúp tối ưu hóa khả năng điều trị và nâng cao sự thành công trong công nghệ hỗ trợ sinh sản (ART).
Nhiễm sắc thể tinh trùng

Tinh trùng có nhiệm vụ mang bộ nhiễm sắc thể (NST) của bố đến kết hợp với bộ NST của mẹ. Chính vì có cấu trúc nhỏ nhất trong các tế bào nên DNA của tinh trùng cũng được gói gọn trong thể tích <10% nhân tế bào sinh dưỡng. Cấu tạo nhỏ và liên kết chặt chẽ của nhân tinh trùng giúp bảo vệ nó khỏi bị ảnh hưởng bởi các tác nhân vật lý hay hóa học trong cơ thể. Trong nhân, NST của tinh trùng tồn tại ở các dạng khác nhau như: NST đóng xoắn (trạng thái histon đã được thay thế hoàn toàn bằng protamin), NST hypocondensed (trạng thái histon được thay thế một phần protamin), NST siêu xoắn (trạng thái đóng xoắn NST siêu chặt, ổn định), NST giải xoắn. Sự bất thường trong cấu trúc NST tinh trùng như thay đổi cấu hình NST, tổn thương DNA ở chuỗi đơn hay kép, khiếm khuyết trong nhân tinh trùng ở giai đoạn biến đổi histon thành protamine hoặc sự phá hủy DNA tinh trùng cũng có thể làm ảnh hưởng đến quá trình sinh tinh. Nếu trường hợp tế bào noãn không thể sửa sai thì việc rối loạn NST tinh trùng có thể ảnh hưởng đến sự phát triển của phôi (Miller D và cs., 2010). Ngoài ra, bệnh nhân có NST bất thường (NST dãn xoắn quá mức), tinh trùng lệch bội cũng có nguy cơ dễ sẩy thai liên tiếp hơn bệnh nhân bình thường (Zidi-Jrah và cs., 2016).

Có nhiều kĩ thuật dùng để xét nghiệm cấu trúc NST tinh trùng như: SCSA (sperm chromatin structure assay), SCD (sperm chromatin dispersion test), AB (aniline blue test), TB (toluidine blue test)… Mỗi thử nghiệm đều dựa trên nguyên tắc và độ nhạy khác nhau nhằm đánh giá chất lượng tinh trùng trong mẫu tinh dịch như mức độ trưởng thành của tinh trùng, cấu trúc NST… Hiện nay trong IVF, để giảm thiểu nguy cơ sử dụng tinh trùng bất thường, chuẩn bị tinh trùng với các phương pháp lọc rửa khác nhau là lựa chọn tối ưu nhất. Ví dụ phương pháp gradient có thể giúp phân loại được quần thể tinh trùng có NST đóng xoắn ở mức độ nào, từ đó phân lập được tinh trùng có nhân trưởng thành cùng sự ổn định NST trong tổng số tinh trùng di động (Punjabi và cs., 2019). Đối với tinh trùng có NST lệch bội, hiện nay chưa có can thiệp nào nhưng sàng lọc di truyền tiền làm tổ có thể được sử dụng để lựa chọn phôi có bộ NST bình thường (Yetunde và cs., 2018).
 
 
Protamin và histon từ tinh trùng

Quá trình sinh tinh hoàn chỉnh bao gồm nhiều giai đoạn: tế bào mầm sinh dục trải qua quá trình biệt hóa, nguyên phân, giảm phân, hậu giảm phân để hoàn chỉnh sự trưởng thành tinh trùng. Trong sinh tinh, sự chuyển đổi protein histon thành protamine đóng vai trò trong quá trình giải xoắn – đóng xoắn nhiễm sắc chất, tạo cơ sở cho quá trình biệt hóa của tinh tử, và để thực hiện được thì phải có sự thay thế 85% giữa histone thành protamine (Balhorn và cs., 2018).

Có 2 loại protamine là protamine 1 (P1) và protamine 2 (P2) với tỷ lệ 1:1. Nhiều bằng chứng cho thấy nếu sự biểu hiện không đồng đều của 2 loại protein này có thể ảnh hưởng đến chất lượng tinh trùng như số lượng, độ di động, hình dạng và sự toàn vẹn DNA. Đồng thời, sự phân phối không chính xác có thể tác động đến sự phát triển phôi sớm. Hầu hết nam giới có chất lượng phôi kém cho thấy tỷ lệ P1/P2 >1. Tỷ lệ P1/P2 thấp làm giảm khả năng thụ tinh và tỷ lệ làm tổ trong IVF và ICSI (Aoki và cs., 2006; Cho và cs., 2003; Mateo và cs., 2009). Ngoài ra, ở những bệnh nhân sẩy thai liên tiếp còn tìm thấy có sự khác biệt đáng kể về mức độ mRNA của protamine 1,2 cũng như tỷ lệ mRNA giữa 2 loại này so với nhóm bệnh nhân có chỉ số tinh dịch đồ bình thường. Như vậy, tỷ lệ giữa hai loại protamine không chỉ ảnh hưởng đến sự thụ tinh mà còn ảnh hưởng đến sự phát triển phôi sớm. Protamine là protein quan trọng trong sự đóng gói DNA tinh trùng. Những bất thường về protamine có thể là kết quả của sự biến đổi ngoài di truyền (epigenetics) bất thường. Tuy có quá trình biến đổi epigenetics của giao tử trong sự phát triển phôi sớm nhưng sự in dấu di truyền vẫn diễn ra và sự bất thường này có thể không được sửa chữa và di truyền cho phôi (Rogenhofer và cs., 2017). Tỷ lệ giữa histon và protamin (HPR) cũng được coi có ảnh hưởng đến sự phát triển phôi và kết cục ART. Khi HPR thấp, phần trăm protamine trong tinh trùng cao, điều này có thể liên quan đến sự hoạt động quá mức của enzyme topoisomerase thay histon bằng protamine, dẫn đến sự đứt gãy DNA, tăng sự phân mảnh tinh trùng. Khi HPR cao vượt mức, thiếu hụt protamine bảo vệ DNA tinh trùng khỏi các gốc tự do dẫn đến DNA dễ bị tổn thương hơn. Khi tỷ lệ HPR nằm trong khoảng [6; 26%] cho tỉ lệ hình thành phôi nang tối ưu 87,8% và khi HPR nằm ngoài khoảng này, tỉ lệ hình thành phôi nang giảm (Fournier và cs., 2018).
 
Thượng di truyền ở tinh trùng

Nhiều nghiên cứu trước đây cho thấy thượng di truyền (epigenetics) có ảnh hưởng đến quá trình sinh tinh thông qua các cơ chế methyl hoá DNA. Sự methyl hoá DNA là việc gắn các gốc CH3 vào vùng gen chức năng, từ đó ức chế sự mã hoá protein chức năng, ảnh hưởng đến chất lượng tinh trùng. Có khoảng hơn 500 các protein tinh trùng được tìm thấy có liên quan đến điều hoà biểu hiện gen bằng cách điều hòa phiên mã, methyl hóa DNA, sửa đổi sau dịch mã histone và sinh tổng hợp các RNA không mã hóa. Một số protein này có thể rất quan trọng đối với việc điều hòa biểu hiện gen sau khi kích hoạt bộ gen của phôi và điều hoà kiểu hình ở thế hệ con. Quá trình sinh tinh cũng có sự góp mặt của các mRNAs mã hóa và mRNAs không mã hóa, miRNAs, siRNAs, piRNAs. Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng việc vắng mặt các miRNA ở chuột có thể làm chậm sự phát triển của phôi sau thụ tinh. Vai trò các RNA là giúp điều hòa sự biểu hiện gen ở giai đoạn phôi sớm và trong quá trình trưởng thành của con non (Chen và cs., 2016).
 
 Nghiên cứu của Y Du và cộng sự (2016) đưa ra rằng sự bất thường trong methyl hóa DNA ở vùng CpG có liên quan đến các bất thường tinh dịch đồ gồm mật độ và sự di động của tinh trùng. Trong tế bào, quá trình methyl hóa DNA thường xảy ra ở vị trí dinucleotide vùng CpG (được gọi là đảo CpG). Sự biến đổi methyl hóa giữa các bệnh nhân là 14,4% và giữa tinh trùng di động cao và tinh trùng di động thấp trong cùng một bệnh nhân là 3,9%. Đối với mẫu tinh trùng di động cao và tinh trùng di động thấp từ bệnh nhân asthenozoospermia, có 134 đảo CpG được methyl hóa khác nhau, các mẫu này cũng khác biệt nhau ở 41 vùng methyl hóa khác. Sự phân phối di truyền các kiểu mẫu methyl hóa khác nhau này đưa đến giả thuyết rằng sự biểu hiện gen có thể bị ảnh hưởng ở các tinh trùng di động kém trên những bệnh nhân asthenozoospermia. Điều này đề xuất rằng những thay đổi trong sự methyl hóa DNA có liên quan đến quá trình điều hòa sự di động của tinh trùng (Du và cs., 2016). Thói quen từ cuộc sống cũng có thể ảnh hưởng đến thượng di truyền ở tinh trùng. Bệnh nhân hút thuốc có thể gây ra sự methyl hóa DNA bất thường ở tinh trùng và sự không cô đặc nhiễm sắc chất. Sự gia tăng methyl hoá DNA toàn bộ tinh trùng ảnh hưởng trực tiếp đến các thông số tinh dịch đồ: mật độ, di động và tỷ lệ sống (Hamad và cs., 2018).
 
Sự phân mảnh DNA tinh trùng

Phân mảnh DNA tinh trùng là tình trạng tổn thương cấu trúc di truyền của tinh trùng, cụ thể là sự đứt gãy bên trong DNA (SDF-Sperm DNA fragmentation). Để kiểm tra sự phân mảnh DNA tinh trùng có nhiều phương pháp đánh giá khác nhau và đánh giá dựa trên chỉ số DFI (DNA fragmentation Index - chỉ số phân mảnh DNA tinh trùng). Mức độ phân mảnh DNA tinh trùng có ảnh hưởng lên sự thành công của chu kỳ điều trị IVF. Nam giới với DFI <30% có khả năng có thai tự nhiên hoặc bằng phương pháp IUI, DFI > 30% nên chỉ định IVF/ICSI. DFI cao làm tăng nguy cơ sẩy thai (Kim 2018). Gần đây, nghiên cứu của Borges và cộng sự (2019) thực hiện đánh giá phân mảnh tinh trùng lên kết quả điều trị ICSI ở nhóm bệnh nhân vô sinh không do yếu tố nam giới; nghiên cứu cho thấy nhóm có SDF>30% cho tỷ lệ thấp về tốc độ phát triển phôi ngày 3, chất lượng phôi tốt, tỷ lệ hình thành phôi nang, tỷ lệ làm tổ và tỷ lệ sẩy thai cũng cao hơn so với nhóm có SDF<30%. Như vậy, sự phân mảnh DNA tinh trùng cao có liên quan đến sự phát triển phôi kém, tỷ lệ làm tổ thấp hơn và tỷ lệ sẩy thai cao hơn trong các chu kỳ ICSI trên nhóm bệnh nhân vô sinh không do yếu tố nam giới (Borges và cs., 2019).

Hiện nay có nhiều phương pháp đánh giá phân mảnh DNA tinh trùng như: COMET, TUNEL, SCD, SCSA. Nghiên cứu Arecent và cộng sự đưa ra sự khác biệt ở ba nhóm DNA phân mảnh tinh trùng (SCD ≤ 10%, SCD 11-20%, SCD ≥ 21%) có mối tương quan với sự hình thành phôi tốt ngày 3, phôi nang, tỷ lệ làm tổ và mang thai. Tỷ lệ phân mảnh tinh trùng càng cao thì khả năng thành công ART càng giảm. SCSA là phương pháp cho kết quả ít chủ quan và được áp dụng phổ biến cho hầu hết các trường hợp cần đánh giá sự phân mảnh (Mona và cs., 2010). Năm 2015, Osman và cộng sự cũng đưa ra có sự khác biệt ý nghĩa thống kê về tỷ lệ trẻ sinh sống ở các tỷ lệ phân mảnh tinh trùng khác nhau trong ICSI (Osman và cs., 2015). Hiện nay, để giảm phân mảnh DNA tinh trùng (DFI) trong mẫu tinh dịch, người ta sử dụng các kỹ thuật chuẩn bị tinh trùng để cải thiện kết quả IVF. Phương pháp swim-up được coi là giảm đáng kể mức độ phân mảnh tinh trùng so với phương pháp gradient. Bên cạnh đó, vị trí thu nhận tinh trùng từ tinh hoàn có sự toàn vẹn nhiễm sắc chất tốt hơn tinh trùng trong tinh dịch xuất tinh. Moskovtsev (2010) đã đánh giá sự phân mảnh DNA trong tinh trùng xuất tinh và từ tinh hoàn ở nam giới có độ phân mảnh DNA cao dù đã dùng thuốc chống oxy hoá. Tỷ lệ phân mảnh trong tinh trùng xuất tinh cao gấp 3 lần so với tinh trùng từ tinh hoàn. Mặc dù đối với nam giới có tỷ lệ phân mảnh DNA cao, việc sử dụng tinh trùng từ tinh hoàn giúp cải thiện tỷ lệ trẻ sinh sống nhưng người ta vẫn chưa ưu tiên lựa chọn này cho những trường hợp có SDF cao, ngoại trừ các trường hợp số lượng tinh trùng cực kỳ ít vì những rủi ro tiềm ẩn trong việc thu nhận tinh trùng. Vì vậy, phương pháp này nên được dành riêng cho trường hợp đã thất bại trong các phương pháp điều trị ít xâm lấn đối với các nguyên nhân gây tổn thương DNA tinh trùng đã biết và chưa biết (Xin và cs., 2018).

Vi mất đoạn nhiễm sắc thể Y

Nhiễm sắc thể Y của con người chứa các gen chịu trách nhiệm cho sự phát triển và bắt đầu cho sự hình thành, duy trì sinh tinh ở người trưởng thành. Cánh dài NST Y (Yq) chứa nhiều chuỗi khuếch đại và trình tự có khả năng tái tổ hợp quá trình sinh tinh. Việc mất đoạn NST Y có thể làm thay đổi số lượng gen và dẫn đến vô sinh nam. Yếu tố Azoospermia (AZF) nằm trên nhánh dài của NST Y (Yq) rất quan trọng đối với việc sinh tinh trùng. Các mất đoạn nhỏ của AZF được cho là có liên quan đến vô sinh nam. Mất đoạn nhỏ trong vùng AZF a, b và c thường dẫn đến azoospermia hoặc oligospermia nặng. Nghiên cứu của Sen và cộng sự (2015) cho thấy có sự khác biệt về tỷ lệ thụ tinh và sự phát triển của phôi (tăng tỷ lệ phôi chất lượng xấu) ở những bệnh nhân bị xóa trình tự AZFc so với nhóm có AZFc (Sen và cs., 2015). Tuy nhiên, một nghiên cứu sau đó năm 2017 của Beyaz và cộng sự thì lại cho rằng không có mối tương quan nào giữa việc mất đoạn AZFc với kết quả ART. Hiện nay, có rất ít nghiên cứu nêu lên ảnh hưởng của việc mất đoạn NST Y lên chất lượng phôi trong ART. Tuy nhiên tất cả các tinh trùng trong ART cần phải được đánh giá về sự hiện diện của NST Y để tránh gây ra khiếm khuyết dẫn đến vô sinh ở thế hệ tương lai. Bên cạnh đó, gần đây một số nghiên cứu cũng bước đầu cho thấy đột biến mất đoạn trên NST Y có thể gây ung thư tinh hoàn và các bệnh lý về thần kinh. Do vậy, việc tầm soát các đột biến liên quan đến NST Y là cần thiết để thêm thông tin cho bác sĩ và bệnh nhân trước khi tiến hành hỗ trợ sinh sản trong trường hợp vô sinh do nam giới (Zhu và cs., 2020).

Kết luận

ART và kĩ thuật ICSI đã giúp tăng cơ hội có con cho các trường hợp tinh trùng bất thường. Trước đây, nhiều người nghĩ tinh trùng chỉ là vật mang bộ gen của người cha vào noãn, nhưng những tiến bộ gần đây đã cho thấy tầm quan trọng và sự ảnh hưởng của tinh trùng. Tinh trùng với cấu trúc NST bất thường, DNA phân mảnh, vi mất đoạn NST Y hoặc thượng di truyền bị biến đổi có liên quan đến sự phát triển của phôi và khả năng mang thai. Tuy nhiên, hiện nay các xét nghiệm đánh giá tinh trùng có nhiều cách tiếp cận khác nhau và không đồng nhất, vì vậy trong tương lai cần có quy trình và tham số chuẩn hóa rõ ràng để đánh giá các yếu tố di truyền từ tinh trùng.
 
Tài liệu tham khảo chính

1. Aoki, Vincent W., Benjamin R. Emery, and Douglas T. Carrell. 2006. “Global Sperm Deoxyribonucleic Acid Methylation Is Unaffected in Protamine-Deficient Infertile Males.” Fertility and Sterility 86(5): 1541–43.
2. Borges, Edson, Zanetti , Setti A. 2019. “Sperm DNA Fragmentation Is Correlated with Poor Embryo Development, Lower Implantation Rate, and Higher Miscarriage Rate in Reproductive Cycles of Non–Male Factor Infertility.” Fertility and Sterility: 1–7.
3. Chen Q, Yan M, Cao Z.  2016. “Sperm TsRNAs Contribute to Intergenerational Inheritance of an Acquired Metabolic Disorder.” Science (New York, N.Y.) 351(6271): 397–400.
4. Colaco, Stacy, and Denny Sakkas. 2018. “Paternal Factors Contributing to Embryo Quality.” Journal of Assisted Reproduction and Genetics.
5. Du Y, Li M, Chen J. 2016. “Promoter Targeted Bisulfite Sequencing Reveals DNA Methylation Profiles Associated with Low Sperm Motility in Asthenozoospermia.” Human Reproduction 31(1): 24–33.
6. Fournier C, Labrune E, Lornage J, Soignon G. 2018. “The Impact of Histones Linked to Sperm Chromatin on Embryo Development and ART Outcome.” Andrology 6(3): 436–45.
7. Hamad, Mohammed F. 2018. “The Status of Global DNA Methylation in the Spermatozoa of Smokers and Non-Smokers.” Reproductive BioMedicine Online 37(5): 581–89.
8. Kim, Gi Young. 2018. “What Should Be Done for Men with Sperm DNA Fragmentation?” Clinical and Experimental Reproductive Medicine 45(3): 101–9.
9. Miller D, Brinkworth M, Iles D. 2010. “Paternal DNA Packaging in Sper- Matozoa: More than the Sum of Its Parts? DNA, Histones, Prot- Amines and Epigenetics.” Reproduction, Fertility and Development 139: 287–301.
10. Punjabi, Usha, Kris Peeters, and Diane De Neubourg. 2019. “Sperm Nuclear Maturity and Chromatin Stability in Subfertile Patients: Density Gradient Centrifugation Is Fair but Non-Discriminative in Selecting the Right Population.” Reproductive Biology 19(4): 316–21.
11. Rogenhofer, Nina, Ott J, Pilatz. 2017. “Unexplained Recurrent Miscarriages Are Associated with an Aberrant Sperm Protamine MRNA Content.” Human Reproduction 32(8): 1574–82.
12. S, Sen et al. 2015. “Susceptibility of Gr/Gr Rearrangements to Azoospermia or Oligo- Zoospermia Is Dependent on DAZ and CDY1 Gene Copy Deletions. . 2015;32:1333–41.” J Assist Reprod Genet 32: 1333–41.
13. Xin, Zhao Tian, Bin L, Yue X. 2018. “Transurethral Seminal Vesiculoscopy for Recurrent Hemospermia: Experience from 419 Cases.” Asian Journal of Andrology 20(May): 1–4.
14. Zhu, Yan , Hu Li, Cao D, Ou Xia, Jiang M. 2020. “Chromosomal Microarray Analysis of Infertile Men with Azoospermia Factor Microdeletions.” Gene 735: 144389.
15. Zidi-Jrah, Ines, Hajlaoui A, Mougou Zerelli S. 2016. “Relationship between Sperm Aneuploidy, Sperm DNA Integrity, Chromatin Packaging, Traditional Semen Parameters, and Recurrent Pregnancy Loss Presented at the 17th World Congress on in Vitro Fertilization, Tunis, Tunisia, on September 4-7, 2013.” Fertility and Sterility 105(1): 58–64.

 

Từ khóa: Ảnh hưởng của các yếu tố di truyền từ tinh trùng trong sinh sản