ThS. Mai Trần Thuỳ Linh – IVFMD SIH – Bệnh viện Phụ sản Quốc tế Sài Gòn
 
Phần I - Cơ chế di truyền trong thất bại thụ tinh: nguyên nhân từ nam và nữ
Thụ tinh là một quá trình phức tạp gồm nhiều bước như hoạt hóa tinh trùng, sự gặp gỡ của tinh trùng và noãn, phản ứng cực đầu, tinh trùng xâm nhập bào tương noãn, hòa màng, hoạt hóa noãn, hình thành tiền nhân và hòa nhân. Bước biến chuyển từ noãn thành hợp tử có liên quan đến hàng loạt các sự kiện như thoái hóa protein và RNA, tổng hợp protein và tái cấu trúc các bào quan. Bất kỳ sự gián đoạn nào trong quá trình này cũng có thể gây ra thất bại thụ tinh (Fertilization Failure – FF).
 
Sự phát triển phôi người bắt đầu bằng sự kiện phiên mã DNA nguồn gốc từ noãn, và dần dần được thay thế bởi quá trình phiên mã DNA của phôi. Hiện tượng này được biết như quá trình hoạt hóa gen phôi (maternal zygotic transition – MZT). Hiện tại, các nhà nghiên cứu đã biết được tần suất của FF và EEA (Early Embryonic Arrest, ngừng phát triển phôi sớm).
 
Bài tổng quan này sẽ cung cấp cái nhìn toàn diện về các yếu tố di truyền có thể gây trở ngại cho quá trình thụ tinh và phát triển phôi sớm, liên quan đến globozoospermia (tinh trùng đầu tròn), thất bại hoạt hóa noãn, đột biến MEG (các gen nguồn gốc từ mẹ), bất thường nhiễm sắc thể (NST) và bất thường thượng di truyền (epigenetic). Ngoài ra là một số cập nhật kỹ thuật mới trong ngành liệu pháp gen, từ đó đưa ra nhiều hướng tiếp cận cho chẩn đoán và điều trị vô sinh.
 
Cơ chế di truyền trong thất bại thụ tinh: nguyên nhân từ nam

1. Khiếm khuyết gen tinh trùng

1.1 Các gen ảnh hưởng quá trình hoạt hóa noãn và hoạt hóa tinh trùng dẫn đến FF
            Ở tinh trùng, gen phospholipase C zeta 1 (PLCZ1) mã hóa cho protein PLCz chính là nhân tố quan trọng trong kích hoạt noãn, nằm trong acrosome của tinh trùng và tạo ra làn sóng dao động Ca²⁺ trong quá trình thụ tinh. Khi gen PLCZ1 bị đột biến hoặc mức độ biểu hiện giảm sẽ làm tinh trùng mất chức năng và gây FF. Cho đến nay, nhờ kỹ thuật WES và giải trình tự Sanger, 26 biến thể của PLCZ1 đã được tìm thấy ở bệnh nhân (BN) vô sinh sử dụng kỹ thuật IVF/ICSI cho tỷ lệ thụ tinh kém hoặc không thụ tinh. Kỹ thuật Hỗ trợ hoạt hóa noãn (oocyte activation – AOA) bằng cách cho tiếp xúc với môi trường chứa canxi ionophore có thể cải thiện tỷ lệ thụ tinh trên những BN bị đột biến gen PLCZ1, đây có thể được xem là cách điều trị hứa hẹn cho những BN này. Tuy nhiên, các nghiên cứu gần đây lại chỉ ra rằng vẫn có những BN bị đột biến gen PLCZ1 thực hiện kỹ thuật ICSI với AOA cho tỷ lệ thụ tinh tốt nhưng lại dừng phát triển ở giai đoạn phôi sớm. Điều này cũng đồng nghĩa với việc có thể gen PLCZ1 là nhân tố quan trọng ở nam gây EEA.
 
            1.2 Các gen liên quan hội chứng globozoospermia
Globozoospermia chiếm khoảng 0,1% nguyên nhân vô sinh nam, là tinh trùng có đầu tròn, không có phần acrosome nên giảm khả năng xâm nhập màng ZP và thụ tinh với noãn. Nguyên nhân chính gây ra globozoospermia được xem là có liên quan đến yếu tố di truyền. Đột biến trên gen chính hình thành nên phần cực đầu tinh trùng sẽ làm biến mất phần acrosome, gây ra hội chứng globozoospermia, tuy cơ chế xảy ra vẫn chưa được biết rõ.
 
            Trong bài tổng quan hệ thống gần đây, các nhà nghiên cứu tìm hiểu đột biến trên 8 gen người (C2CD6, CCDC62, DPY19L2, GGN, PICK1, SPATA16, SPINK2, và ZPBP1) có liên quan globozoospermia. Ngoài ra, đột biến trên CCIN, C7orf61, DNAH17, DNAH6, PIWIL4, và CHPT1 cũng liên quan globozoospermia nhưng cần nhiều dữ liệu hơn. Đột biến mất Dpy-19 like 2 (DPY19L2) là nhân tố chính gây ra globozoospermia, tỷ lệ từ 19 - 83,3% tùy nghiên cứu. DPY19L2 giúp gắn acrosome với màng trong, cần thiết trong quá trình mở rộng acrosome và hình thành túi mầm trong quá trình sinh tinh trùng. Tinh trùng đột biến DPY19L2 có màng trong không ổn định nên thường bị tách ra khỏi màng ngoài, dẫn tới chia cắt phần thể cực đầu. Nhóm tinh trùng bất hoạt gen DPY19L2 sẽ mang các khiếm khuyết phân tử trong acrosome, cấu trúc NST, cũng như gặp khó khăn trong tương tác giữa tinh trùng – noãn và trong quá trình thụ tinh.
 
            Trong một vài nghiên cứu có báo cáo việc sử dụng canxi trong ICSI+AOA hay kỹ thuật IMSI có thể cải thiện tỷ lệ thụ tinh, tỷ lệ làm tổ và tỷ lệ thai ở những BN đột biến gen gây ra hội chứng globozoospermia. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng tỷ lệ thụ tinh sau AOA thường thấp có thể do tỷ lệ phân mảnh DNA và lệch bội ở tinh trùng globozoospermia cao. Vì thế, khuyến cáo nên làm xét nghiệm phân mảnh DNA và lệch bội cho tinh trùng globozoospermia.
 

2. Sự biến đổi NST tinh trùng

2.1 Phân mảnh DNA tinh trùng
            Sự phân mảnh DNA tinh trùng (Sperm DNA fragmentation – SDF) là sự đứt gãy sợi đôi hoặc sợi đơn DNA của tinh trùng do các tác nhân bất lợi từ bên ngoài hoặc bên trong tinh trùng. Cơ chế chính gây ra SDF bao gồm apoptosis các tế bào tinh hoàn, tổn thương DNA do stress oxy hóa, kích hoạt caspase và endonuclease tinh trùng, tổn thương do hóa trị - xạ trị, và tác động từ môi trường độc hại bên ngoài.
 
            Trên lâm sàng, chỉ số phân mảnh DNA tinh trùng (DNA fragmentation index – DFI) thường được sử dụng để đánh giá tỷ lệ SDF. Các nghiên cứu đã chứng minh chỉ số DFI cao đi kèm với tỷ lệ thụ tinh giảm và nguy cơ thất bại thụ tinh hoàn toàn tăng trên các ca thụ tinh ống nghiệm cổ điển nguyên nhân do ống dẫn trứng và tinh trùng di động kém từ nhẹ đến trung bình. Mặt khác, chỉ số DFI cao cũng có liên quan đến giảm khả năng có thai tự nhiên, tăng tỷ lệ thất bại trong hỗ trợ sinh sản và tỷ lệ sẩy thai cao.
 
            2.2 Telomer
Chiều dài telomer có liên quan chặt chẽ đến tính toàn vẹn DNA của tinh trùng. Trình tự telomer là những đoạn DNA lặp, không mã hóa, được bảo tồn cao, nằm ở cuối NST của sinh vật nhân chuẩn, và đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định và bảo vệ bộ gen. Telomer ở những tế bào sinh dưỡng bình thường sẽ ngắn lại sau mỗi kỳ phân bào, hay khi tế bào già hóa, hoặc bị phơi nhiễm với các yếu tố căng thẳng như thiếu oxy hay nồng độ glucose không kiểm soát. Telomer ngắn là biểu thị cho tính bất ổn định của bộ gen và có xu hướng trở nên rối loạn chức năng. Ngoài ra, trong một số nghiên cứu cho thấy telomer cũng chịu trách nhiệm cho sự gắn kết NST lên màng nhân. Các yếu tố nội bào như stress oxy hóa hay các yếu tố môi trường như khói thuốc lá, nồng độ homocystein, stress, béo phì cũng có thể làm ngắn telomer.
 
            Chiều dài telomer trung bình ở những BN hiếm muộn sẽ ngắn hơn so với người không hiếm muộn. Thêm vào đó, chiều dài telomer có tương quan thuận với độ di động tiến tới và tỷ lệ sống, nên có thể là 1 chỉ số tiềm năng để đo lường khả năng sinh sản. Các telomer bị ngắn do stress oxy hóa thường có liên quan đến tỷ lệ thụ tinh thấp hoặc không thụ tinh.
 
Cơ chế di truyền trong thất bại thụ tinh: nguyên nhân từ nữ

1. Khiếm khuyết gen của noãn

            Tế bào mầm nguyên thủy của nữ bắt đầu giảm phân trong quá trình phát triển của bào thai. Sau khi tiếp hợp và tái sắp xếp các cặp NST tương đồng, NST sẽ ngừng tại kỳ trước giảm phân I. Với sự kích thích của LH ở tuổi dậy thì, noãn tiếp tục quá trình phân bào. Sự hình thành thể cực thứ nhất (PBI) cho thấy noãn đã hoàn tất MI. Sau kỳ MI, noãn bước vào giai đoạn giảm phân II (MII) và ngừng tại đây cho tới khi gặp được tinh trùng và được thụ tinh. Tuy nhiên, có một vài phụ nữ sở hữu noãn mang hình thái noãn MII nhưng lại không thể thụ tinh.
 
            WEE2 là một kinase đặc trưng của noãn, quan trọng trong duy trì trạng thái ngừng giảm phân bằng cách bất hoạt quá trình phosphoryl hóa gen CDC2. CDC2 sẽ bất hoạt yếu tố thúc đẩy trưởng thành (maturation-promoting factor – MPF), một phức hợp giữa CDC2 và Cyclin B. Điều hoà xuôi dòng gen WEE2 dẫn tới hoạt động của yếu tố MPF tăng trên noãn chuột, kết quả noãn MII thất bại hoàn tất giảm phân và hình thành tiền nhân. Hiện tại, có tổng cộng 25 đột biến WEE2 có liên quan đến FF do nữ được báo cáo. Trong trường hợp BN nữ mang đột biến WEE2, kỹ thuật ICSI-AOA không thể ngăn chặn FF, do đó việc áp dụng kỹ thuật ICSI hay ICSI-AOA là không cần thiết. Phương pháp tiêm RNA bổ sung WEE2 (cRNA) vào noãn không có WEE2 giúp noãn thụ tinh thành công và tạo được phôi nang. Mặc dù hiệu quả của việc tiêm cRNA WEE2 còn chưa chắc chắn nhưng đây vẫn là một hướng điều trị tiềm năng cho BN đột biến WEE2.
 
            Ở động vật có vú, thụ tinh thành công dựa vào tính toàn vẹn về cấu trúc và chức năng của ZP noãn. Trong quá trình thụ tinh, ZP đóng vai trò then chốt trong điều hòa nhận diện đặc hiệu tinh trùng – noãn, tác động sự phóng thích tinh trùng và phản ứng cực đầu, ngăn ngừa đa thụ tinh, ngăn thụ tinh khác loài và bảo vệ sự phát triển của phôi cho đến khi phôi làm tổ. Đột biến trên gen ZP đưa đến nhiều tình trạng khác nhau như hội chứng trứng trống, noãn không có ZP, noãn có ZP mỏng, noãn thoái hóa, noãn chưa trưởng thành và FF trong IVF. Một nghiên cứu cho thấy FF gây ra do đột biến ZP2 có thể khắc phục bằng kỹ thuật ICSI. ASTL mã hóa ovastacin đóng một vai trò quan trọng trong ngăn ngừa đa thụ tinh bằng cách phân chia ZP2. Gần đây, các nhà nghiên cứu đã xác định 5 đột biến trên gen ASTL có liên quan đến FF. Những đột biến này làm gián đoạn hoạt động xúc tác của ovastacin trong noãn, dẫn đến thất bại trong cơ chế khóa màng ZP sau thụ tinh.

            Gen Chu kỳ phân bào 20 (CDC20) đóng vai trò như một yếu tố đồng kích hoạt tổ hợp/ cyclosome (APC/C) thúc đẩy kỳ sau trong quá trình nguyên phân và kết thúc giảm phân, là gen mục tiêu xuôi dòng chính ức chế bởi checkpoint tập hợp thoi vô sắc. Tại noãn, việc kích hoạt điều hòa CDC20 của APC/C là bước quan trọng để tách kết nối đồng hợp NST giúp chuyển trạng thái noãn từ MI thành MII. Các nghiên cứu cho thấy có nhiều loại biến thể CDC20 khác nhau dẫn đến nhiều kiểu hình phát triển khác nhau, bao gồm noãn không trưởng thành, FF và EEA. Việc tiêm cRNA CDC20 vào noãn cho BN cho thấy có thể giúp noãn MI tiếp tục giảm phân.
 

2. DNA ty thể

            Ty thể là một bào quan đóng vai trò chính trong sản xuất ATP, điều hòa apoptosis, cân bằng canxi và sản sinh các gốc oxy hóa (ROS). Trong thời kỳ phát triển bào thai, ban đầu noãn có khoảng 200 ty thể. Cùng với quá trình giảm phân của noãn, số lượng ty thể tiếp tục tăng lên, đạt đỉnh 100.000 ty thể và 50.000 đến 550.000 bản sao mtDNA ở giai đoạn MII. Do nhu cầu năng lượng tăng cao cho quá trình thụ tinh và phát triển phôi sớm, những noãn trưởng thành sẽ có số lượng ty thể nhiều nhất ở giai đoạn này. Trong quá trình lão hóa buồng trứng, các khiếm khuyết trong mtDNA và rối loạn chức năng ty thể như giảm số lượng các bản sao, sự mất ổn định mtDNA có thể gây tác động xấu lên quá trình thụ tinh của noãn. Biểu hiện ATPase 6 giảm cho thấy khả năng phosphoryl hóa, oxy hóa ty thể giảm ở những noãn không thụ tinh. Một vài nghiên cứu chứng minh rằng số lượng bản sao mtDNA thấp có thể là kết quả tế bào chất noãn chưa trưởng thành, dẫn tới chất lượng noãn thấp. Vi tiêm ty thể tự thân và chuyển nhân tế bào mầm có thể là bước đi tiềm năng để cải thiện chất lượng noãn cũng như tỷ lệ thụ tinh cho BN vô sinh nguyên nhân do nữ. Ngoài ra chuyển thoi vô sắc nguồn gốc từ mẹ trong điều trị vô sinh không rõ nguyên nhân khi tỷ lệ thụ tinh thấp hoặc/ và phát triển phôi kém đã cho kết quả đáng khích lệ.

3. Biến đổi thượng di truyền

Biến đổi thượng di truyền là các dạng điều hòa biểu hiện gen mà không làm thay đổi trình tự nucleotid. Những biến đổi này có liên quan chủ yếu đến cấu trúc nhiễm sắc chất thông qua sự thay đổi liên kết cộng hóa trị hoặc không phải cộng hóa trị trên chuỗi DNA và histone cũng như tham gia vào nhiều quá trình sinh lý khác nhau. Những dạng chủ yếu của biến đổi thượng di truyền bao gồm metyl hóa DNA, thay đổi histone và ncRNA.

            Sự thiếu hụt hoạt hóa noãn (Oocyte activation deficiency – OAD) được xem như nguyên nhân chính gây ra FF. Yếu tố vô sinh từ nam như đột biến gen PLCZ1 chiếm phần lớn trong các ca OAD, và cũng không nên bỏ qua yếu tố từ noãn. Ca²⁺ đóng vai trò như một chất điều hòa chính trong hoạt hóa noãn ở động vật có vú, tạo làn sóng dao động canxi kích hoạt con đường tín hiệu từ lúc hòa màng cho đến khi hình thành tiền nhân. Điều hòa thượng di truyền là cơ chế chính trong kiểm soát biểu hiện gen, bao gồm các gen có liên quan trong con đường tín hiệu Ca²⁺. Trong suốt quá trình hoạt hóa noãn, các gen mã hóa cho protein liên quan Ca²⁺ bị gián đoạn biểu hiện sẽ dẫn tới bất thường sóng dao động Ca²⁺ và sản xuất ROS quá mức. Ngoài vai trò khử nhóm methyl, ROS còn đóng vai trò giảm ái lực giữa DNA methyltransferases (DNMTs) với DNA. Vì thế, các nghiên cứu cho rằng stress oxy hoá phụ thuộc Ca²⁺ sẽ phá hủy quá trình methyl hóa DNA noãn, cuối cùng dẫn đến OAD.
 
Tài liệu tham khảo: Wei Y, Wang J, Qu R, Zhang W, Tan Y, Sha Y, Li L, Yin T. Genetic mechanisms of fertilization failure and early embryonic arrest: a comprehensive review. Hum Reprod Update. 2024 Jan 3;30(1):48-80. doi: 10.1093/humupd/dmad026. PMID: 37758324.N
 
Xem tiếp phần II - Các cơ chế di truyền của ZCF (Zygotic Cleavage Failure - thất bại phân cắt hợp tử) và EEA (Early Embryonic Arrest - ngừng phát triển phôi sớm)

Từ khóa: thất bại thụ tinh / ngừng phát triển phôi sớm / hệ gen / giảm phân / gen ti thể / methyl hóa / thượng di truyền / sinh sản / thất bại phân cắt hợp tử.