ThS. Mai Trần Thuỳ Linh – IVFMD SIH – Bệnh viện Phụ sản Quốc tế Sài Gòn
 
Phần II - Các cơ chế di truyền trong ZCF (Zygotic Cleavage Failure - thất bại phân cắt hợp tử) và EEA (Early Embryonic Arrest - ngừng phát triển phôi sớm)
 
Trong quá trình phát triển phôi, những sự kiện diễn ra sớm nhất được điều hòa bởi các MEG (maternal gene products - các sản phẩm gen từ mẹ). Khi tiến trình diễn ra, quá trình chuyển đổi từ mẹ sang hợp tử (MZT - maternal zygotic transition) xuất hiện, bắt đầu cho sự sống mới. MZT được chia thành 2 giai đoạn. Giai đoạn đầu là sự phân hủy mRNA theo 2 con đường liên tiếp nhau, được điều hòa bởi các yếu tố của mẹ tích lũy trong noãn trưởng thành và quá trình phiên mã mới sau thụ tinh. ZGA (Zygote Genome Activation) là quá trình phiên mã gen phôi ở động vật có vú, hay còn gọi hoạt hóa gen phôi (embryonic genome activation – EGA). Sự điều hòa các sản phẩm gen của mẹ và sự kích hoạt phiên mã hợp tử có liên quan chặt chẽ và tương tác phức tạp với nhau nhằm đảm bảo chuyển giao kịp thời quyền kiểm soát. Trong suốt quá trình này, sự phiên mã từ mẹ sẽ dần được thay thế bởi sự phiên mã từ phôi. Các MEG sẽ cung cấp các protein và mRNA cần thiết trước và sau EGA để dẫn đường cho quá trình phát triển phôi sớm và quyết định kiểu hình phôi. Ở người, ZGA tăng tốc ở giai đoạn bốn đến tám tế bào, được đặc trưng bởi sự phiên mã của một số lượng lớn gen.
 

1. Các cơ chế di truyền của ZCF

            ZCF là kiểu hình phôi sớm độc nhất. Mặc dù hình thái của tế bào noãn có vẻ bình thường và có thể thụ tinh thành công nhưng hợp tử thu được lại không thể hoàn thành quá trình phân cắt đầu tiên và dừng lại ở giai đoạn một tế bào.
 
            Một số đột biến gen liên quan đến MZT đã được cho là có liên quan khi xảy ra ZCF. Yếu tố chống tăng sinh tế bào B 4 (BTG4), hoạt động như một yếu tố cấp phép cho MZT và là gen đầu tiên được xác định chịu trách nhiệm cho quá trình phân cắt hợp tử. Hiện nay, các nhà nghiên cứu đã xác định được 6 đột biến đồng hợp ở BTG4 liên quan đến vô sinh trên người ZCF.
            Checkpoint kinase 1 (CHEK1) là một yếu tố điều hòa quan trọng giúp lắp ráp thoi vô sắc và sửa chữa DNA trong quá trình phát triển phôi sớm. Các đột biến trội ở CHEK1 dẫn đến thất bại trong giai đoạn hòa 2 tiền nhân và ngừng phát triển lên hợp tử, những tác động này có thể được khắc phục bằng các chất ức chế CHEK1.
 
            Chất tương tác thụ thể hormone tuyến giáp 13 (TRIP13) đóng một vai trò quan trọng trong việc kiểm tra checkpoint sắp xếp thoi vô sắc bằng cách thúc đẩy việc nối đầu tận không tương đồng của các đứt gãy sợi đôi. Nó cũng giúp điều chỉnh việc sửa chữa DNA và ngăn ngừa sự phân tách sai nhiễm sắc thể.
 
Gen TRIP13 đã được chứng minh là có liên quan đến các sự kiện của NST và đóng vai trò trong ZCF. Các đột biến sai nghĩa 2 allel trong TRIP13 dẫn đến các biến đổi về kiểu hình, bao gồm việc ngừng tại pha MI của noãn hay ngừng phân cắt hợp tử.
 
Gen TUBB8 đại diện cho các MEG ở người, mã hóa cho một loại protein b-tubulin đặc biệt biểu hiện duy nhất trong tế bào noãn và phôi sớm. Các đột biến trong TUBB8 ảnh hưởng đến quá trình gấp cuộn phụ thuộc chaperone và lắp ráp các dị vòng a/b-tubulin, làm gián đoạn hoạt động của vi ống trong tế bào, thay đổi động lực học các vi ống trong cơ thể và dẫn đến sai sót trong sắp xếp thoi vô sắc và noãn ngừng trưởng thành.
 
Gen khối hợp tử 1 (ZAR1) cũng là một MEG đặc hiệu ở noãn và có vai trò trong MZT. Một nghiên cứu trên nữ mang đột biến ZAR1 trải qua quá trình hỗ trợ sinh sản cho thấy chỉ có 2 trong số 10 hợp tử có sự phân cắt đầu tiên, trong đó một phôi ngừng ở giai đoạn ba tế bào và phôi còn lại bị thoái hóa.
 

2. Các cơ chế di truyền của EEA

2.1 Đột biến MEG và thất bại ZGA dẫn tới EEA
Trong noãn, SCMC (subcortical maternal complex) đã được xác định là cấu trúc chính của quá trình in dấu gen. SCMC rất cần thiết để hình thành mạng lưới F-actin trong tế bào chất định vị thoi vô sắc và đảm bảo sự phân chia đối xứng ở noãn chuột được thụ tinh.
 
            Moloney sarcoma oncogene (MOS) hoạt động như một chất kích hoạt protein kinase được hoạt hóa trong quá trình nguyên phân, cần thiết cho sự hình thành các vi ống và chất nhiễm sắc bình thường trong quá trình chuyển đổi giữa hai pha M của quá trình giảm phân. Các đột biến trong MOS làm suy giảm khả năng phosphoryl hóa xuôi dòng kinase 1/2 điều hòa tín hiệu ngoại bào, do đó làm giảm khả năng giải cứu kiểu hình không phải metaphase II của nó và có khả năng dẫn đến ngừng phát triển phôi trước khi làm tổ.
 
            Ngoài các MEG được đề cập ở trên, các đột biến ở các gen khác liên quan và sự thiếu hụt mRNA của mẹ cũng có thể dẫn đến EEA. REC114, một gen quan trọng liên quan đến sự hình thành đứt gãy sợi đôi (double strand break – DSB), đóng một vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tái tổ hợp DNA và ghép cặp nhiễm sắc thể thích hợp. Sự rối loạn chức năng của REC114, một phần hoặc toàn bộ, có thể dẫn đến DSB bất thường cũng như những bất thường tiếp theo trong quá trình thụ tinh và EEA.
 
2.2 Protein nhân từ mẹ
            Hạt nhân được coi là cấu trúc quan trọng chủ yếu liên quan đến sự sản xuất rRNA và lắp ráp ribosome. So với các tế bào sinh dưỡng, noãn trưởng thành và phôi tiền làm tổ lại cho thấy các nhân không điển hình hay còn được gọi là thể tiền nhân (nucleolar precursors bodies – NPBs), và sự biến đổi tiền nhân chủ yếu xảy ra trong quá trình chuyển tiếp từ tế bào noãn sang phôi. Mặc dù cơ chế phân tử của sự trưởng thành nhân và sản xuất ribosome trong quá trình phát triển phôi tiền làm tổ vẫn chưa rõ ràng, nhưng càng ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy hạt nhân của mẹ đóng vai trò không thể thiếu trong ZGA và sự phát triển phôi sớm.        
 
2.3 Bất thường nhiễm sắc thể
            Các bất thường về NST, như lệch bội hoặc sai lệch số lượng bản sao NST của phôi giai đoạn tiền làm tổ là yếu tố then chốt quyết định sự thành công của IVF vì bất thường NST là nguyên nhân chính gây thất bại làm tổ hoặc sảy thai sớm.
            Ngày càng có nhiều nghiên cứu liên quan đến tình trạng sảy thai do bất thường NST liên quan đến EEA. Các phát hiện cho thấy sự nhân đôi của các đoạn và toàn bộ NST đơn có tác động đáng kể đến việc phôi ngừng phát triển, trong khi các trisomy và việc mất đoạn lại không ảnh hưởng. Gần đây khi lập bản đồ hạt nhân và thu thập hình ảnh của 13 phôi phân chia ngừng phát triển, người ta nghiêng về giả thuyết cho rằng sự phân tách làm ba cực đã làm suy yếu sự phát triển của phôi. Tương tự, một nghiên cứu khác cho thấy phôi đơn bội NST 21 có tỷ lệ ngưng phát triển cao vào cuối ngày nuôi cấy thứ 9, trong khi sự phát triển của phôi trisomy 15 và trisomy 21 tương tự như phôi nguyên bội.
 
2.4 Biến đổi thượng di truyền
            Biến đổi thượng di truyền điều hòa biểu hiện gen trong quá trình phát triển phôi chuột và phôi người, đặc biệt là trong quá trình ZGA. Nhiều gen hợp tử tăng hoạt động phiên mã để thúc đẩy phát triển phôi.
2.4.1 Methyl hóa DNA
            Quá trình methyl hóa DNA là một trong những cơ chế thượng di truyền quan trọng nhất trong quá trình phát triển phôi sớm, đặc biệt quan trọng trong phát triển phôi, in dấu gen, bất hoạt nhiễm sắc thể X, biệt hóa tế bào và tăng sinh ở các loài động vật có vú khác nhau.
 
            Quá trình khử methyl DNA có 2 loại: khử chủ động và khử thụ động. Hình thức thay đổi nhóm methyl phổ biến nhất là m5C, bao gồm việc cộng hóa trị của nhóm methyl vào vị trí thứ năm của vòng cytosine bằng DNMT. Sau khi thụ tinh, quá trình khử methyl chủ động xảy ra trên gen từ bố trước vòng sao chép DNA đầu tiên, quá trình này được điều hòa chủ yếu bởi sự oxy hóa m5C của bố qua trung gian TET3 thành 5-hydroxymethylcytosine (5hmC). Mặt khác, quá trình khử methyl trong bộ gen của mẹ diễn ra chậm hơn và chủ yếu liên quan đến quá trình khử methyl thụ động. Việc khử bằng DNA thụ động là do giảm hoạt động của DNMT. Giai đoạn phôi nang có mức độ methyl hóa thấp nhất, sau đó quá trình methyl hóa được tái thiết lập ở các vùng gen đặc trưng của loài.
 
2.4.2 Biến đổi histon
            DNA bộ gen của sinh vật nhân chuẩn được đóng gói với các protein NST để tạo thành chất nhiễm sắc. Nucleosome, bao gồm các histon điển hình là H2A, H2B, H3, H4 và H1, đóng vai trò là đơn vị cấu trúc cơ bản của chất nhiễm sắc. Việc biến đổi histon có ý nghĩa rất lớn đối với quá trình tạo phôi tiền làm tổ. Kích hoạt hoặc ức chế quá trình sửa đổi sau dịch mã histon có thể có tác động đến sự phát triển của phôi.
 
            Trimethylation của histon H3 lysine 4 (H3K4me3) là một marker histon về quá trình bắt đầu phiên mã đã được nghiên cứu rộng rãi. Việc bất hoạt gen H3K4me3 demethylase Kdm5a và Kdm5b trong phôi hai tế bào dẫn đến điều hòa giảm gen ZGA, cho thấy sự phát triển chậm ở giai đoạn bốn tế bào, tám tế bào và thậm chí ngừng ở giai đoạn phôi nang. Ngoài ra, có sự tích lũy H3K27me3 trong vùng điều hòa của acetyl hóa histone3 lysine 27 (H3K27ac) trong phôi sớm để ngăn chặn sự kích hoạt sớm gen ZGA. Cơ chế thượng di truyền của H3K4me3 trong quá trình phát triển phôi người vẫn chưa rõ ràng và cần nghiên cứu thêm để xác định liệu dấu hiệu H3K4me3 lan rộng và xa trước ZGA có chức năng tương tự như chuột ncH3K4me3 hay không.
 
            Protein arginine methyltransferase 7 (PRMT7) xúc tác quá trình dimethyl hóa đối xứng H4 tại arginine 3 (H4R3me2s), dẫn đến sự ức chế có đánh dấu. Phôi bị suy giảm sự phát triển có sự gia tăng đáng kể quá trình methyl hóa H4R3me2 và tăng mức protein PRMT7. Tuy nhiên, việc giảm sự biểu hiện của PRMT7 có thể cứu được một số phôi bị suy yếu.
 
            Quá trình acetyl hóa histon là một quá trình thuận nghịch. Các nhóm acetyl được thêm vào hoặc loại bỏ khỏi lysine trong histon H3 và H4 thông qua hoạt động của histon acetyltransferase và histon deacetylase (HDAC). Quá trình acetyl hóa histon có liên quan đến quá trình hoạt hóa phiên mã vì acetyl hóa sẽ làm trung hòa hiệu ứng điện tích giữa histon và sợi DNA, dẫn đến cấu trúc được mở hơn. Ngược lại, quá trình khử acetyl lại dẫn đến sự bám chặt hơn giữa nhiễm sắc chất và histon, dẫn đến làm giảm quá trình phiên mã gen.
 
            H2A.Z là biến thể histon H2A được bảo tồn cao, bao gồm hai phân nhóm là H2A.Z.1 (được mã hóa bởi H2AFZ) và H2A.Z.2 (được mã hóa bởi H2AFV). H2A.Z có 60% tương đồng với histon H2A điển hình ở động vật có vú và có tham gia vào quá trình tái cấu trúc nhiễm sắc thể, điều hòa phiên mã gen, phân ly NST và các quá trình sinh học khác. Sự thiếu hụt H2A.Z trong quá trình này làm thay đổi sự biến đổi histon và sự liên kết RNA polymerase II với promoter, dẫn đến biểu hiện gen bất thường và ngừng phát triển phôi.
2.4.3 ncRNA
            ncRNA bao gồm microRNA (miRNA), ncRNA dài (lncRNA), RNA vòng (circRNA) và RNA tương tác PIWI (piRNA). Trong số đó, miRNA là yếu tố điều hòa tế bào được nghiên cứu rộng rãi và đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển và làm tổ của phôi. miRNA liên kết với các trình tự bổ sung trong mRNA mục tiêu, dẫn đến làm suy giảm mRNA mục tiêu bởi phức hợp bị bất hoạt do mRNA (RISC). piRNA là một ncRNA có chiều dài 24–32 nucleotide tương tác với protein Argonaute trong nhánh PIWI, góp phần làm bất hoạt transposon và điều hòa biểu hiện gen. Nghiên cứu của Jian (2022) cho thấy sự biểu hiện quá mức của miR-145 làm trì hoãn đáng kể sự phát triển của phôi. Nghiên cứu của Timofeeva (2020) chỉ ra rằng cả piRNA và miRNA (gọi chung là sncRNA) đều có tác động đáng kể đến chất lượng phôi dâu của người. Phát hiện 13 phôi dâu có sự hấp thu hoặc bài tiết sncRNA bất thường cho thấy sự chậm hoặc ngừng phát triển, và chất lượng hình thành phôi nang giảm. SncRNA có thể ảnh hưởng lên quá trình phiên mã, điều hòa biểu hiện gen và tham gia nhiều quá trình sinh học khác nhau như tăng sinh hoặc apoptosis tế bào.

Kết luận
            Đột biến gen, bất thường NST và biến đổi thượng di truyền trên cá thể nam và nữ là các yếu tố liên quan đến thất bại thụ tinh và ngừng phát triển phôi sớm. Những yếu tố di truyền này bảo tồn tương đối giữa các loài. Dưới khía cạnh đạo đức, việc áp dụng kỹ thuật chỉnh sửa gen trong điều trị hiếm muộn vẫn còn đang tranh luận và thực tế người ta đang lựa chọn các liệu pháp thay thế mà không làm thay đổi bộ gen. Ngoài ra, BN có thể cân nhắc sử dụng tinh trùng, noãn hoặc phôi từ các nguồn hiến tặng.
 
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 lại phần I Tổng quan: các cơ chế di truyền trong thất bại thụ tinh và 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.