ThS. Nguyễn Huỳnh Cẩm Tú – IVF Tâm Anh

Giới thiệu

Việc phát triển tinh trùng ở người cần được điều hòa chặt chẽ để đảm bảo khả năng sinh sản. Khoảng 1/6 người trên toàn cầu gặp vấn đề vô sinh, trong đó khoảng một nửa liên quan đến yếu tố nam giới, đặc biệt do bất thường trong quá trình sinh tinh. Mặc dù công nghệ hỗ trợ sinh sản đã có nhiều tiến bộ, nhưng chi phí cao và áp lực tâm lý vẫn là thách thức. Hiểu rõ nguyên nhân phân tử đối với thất bại sinh tinh sẽ giúp chẩn đoán và điều trị vô sinh tốt hơn.
Hiện tượng bất thường nhiễm sắc thể chiếm 16-17% các trường hợp vô tinh. Các nghiên cứu trên mô hình động vật đã giúp phát hiện nhiều gene bảo tồn cho sinh tinh (ví dụ: TEX11). Tuy nhiên, các gene có vai trò điều hòa đặc hiệu cho người khó khăn trong việc nghiên cứu hơn. Hiện nay vẫn thiếu hệ thống nuôi cấy sinh tinh đầy đủ in vitro.
Do đó, nhóm tác giả sử dụng dữ liệu RNA-seq và ChIP-seq từ nhiều loài, phân tích để tìm các đặc trưng điều hòa thượng di truyền đặc hiệu ở người trong quá trình sinh tinh.

Phương pháp

Phân tích lại dữ liệu từ nghiên cứu trước đó của Lesch và cộng sự (2016), bao gồm dữ liệu RNA-seq và ChIP-seq trên người, khỉ rhesus, chuột và thú có túi opossum. Các kháng thể chống H3K4me3 và H3K27me3 (từ Abcam) đã được sử dụng để xác nhận độ đặc hiệu cho thí nghiệm ChIP-seq trên nhiều loài. Mẫu tinh hoàn người thu thập từ dịch vụ giải phẫu tử thi hoặc bệnh nhân phẫu thuật nối ống dẫn tinh; các mẫu được xác nhận có quá trình sinh tinh bình thường; các tế bào được phân tách thành tinh bào tiếp hợp (pachytene spermatocytes) và tinh tử tròn (round spermatids) với độ tinh khiết trên 95%. Tinh hoàn từ khỉ rhesus, chuột CD1 và thú có túi được thu thập, xử lý tương tự với độ tinh khiết các phân nhóm tế bào từ 89–90% trở lên. Chỉ xét các gene có tương đồng giữa tất cả 4 loài (cả tương đồng một-một và một-nhiều). Gene được phân nhóm theo các trạng thái thượng di truyền và chỉ giữ lại những gene có trạng thái hoạt động, tiềm năng hoặc thay đổi động đặc hiệu cho người. Các bộ gene được phân tích Gene Ontology và xác nhận thêm qua cơ sở dữ liệu MSigDB. Sử dụng dữ liệu từ Human Protein Atlas, GTEx và Human Testis Atlas Browser để xác nhận biểu hiện gen ở tinh hoàn người.

Kết quả

Các trạng thái thượng di truyền của tế bào mầm giống đực ở bốn loài
Để xác định các trạng thái điều hòa đặc hiệu cho người trong quá trình sinh tinh, nhóm nghiên cứu tập trung vào hai loại tế bào là tinh bào tiếp hợp (Pachytene spermatocytes - PS) - tế bào đang ở kỳ tiếp hợp của giảm phân I, có bộ DNA gấp 4 lần bình thường và tinh tử tròn (Round spermatids - RS) - tế bào sau giảm phân, có bộ DNA đơn bội. Hai loại tế bào này đại diện cho hai giai đoạn phát triển quan trọng trong quá trình sinh tinh. Các dữ liệu được thu thập từ bốn loài: người, khỉ rhesus, chuột và thú có túi opossum đại diện cho khoảng 160 triệu năm tiến hóa. Nhóm nghiên cứu sử dụng dữ liệu: ChIP-seq (để đo mức độ đánh dấu histone H3K4me3 và H3K27me3) và RNA-seq (để đo biểu hiện gen). Kết hợp ba yếu tố này, họ phân loại mỗi gene theo 8 trạng thái thượng di truyền tiềm năng, nhưng tập trung chủ yếu vào bốn trạng thái sinh học phù hợp (các trạng thái còn lại được coi là khả năng gây nhiễu hoặc do lỗi kỹ thuật):

Kết quả thu được là hầu hết các gene chỉ có 2–3 trạng thái thượng di truyền trên tám điều kiện (4 loài x 2 loại tế bào); 2.262 gene có trạng thái thượng di truyền ổn định trên cả bốn loài và hai loại tế bào; trong đó, nhiều gene hoạt động liên tục liên quan đến chức năng thiết yếu như chuyển hóa, vận chuyển đại phân tử, và điều hòa chu kỳ tế bào; một nhóm khác duy trì trạng thái tiềm năng liên tục, chủ yếu liên quan đến điều hòa phát triển và chức năng phiên mã. 5.566 gene có đúng hai trạng thái thượng di truyền khác nhau giữa các điều kiện, cho thấy có mức độ biến đổi trung bình. Những trạng thái giả như "biểu hiện RNA nhưng không dấu histone" hoặc "dấu histone đối lập" xuất hiện rất ít, cho thấy dữ liệu chủ yếu phản ánh tín hiệu sinh học thực sự.
Việc phân tích này cho phép xác định những gene có trạng thái điều hòa đặc trưng chỉ xuất hiện ở người, mở đường cho các nghiên cứu tiếp theo về vai trò của chúng trong sinh sản nam giới.
Xác định các gene hoạt động đặc hiệu trong tế bào sinh tinh người
Nhóm nghiên cứu đặt câu hỏi liệu có những gene nào chỉ hoạt động trong tế bào sinh tinh người mà không hoạt động trong các loài khác. Kết quả tìm thấy 22 gene hoạt động đặc hiệu ở người trong PS hoặc RS, nhưng không hoạt động ở ba loài còn lại. Trong đó, 19 gene có mối tương đồng một-một giữa các loài, 3 gene còn lại có mối tương đồng một-nhiều.

Các gene hoạt động đặc hiệu ở người như BVES và NEK5 có thể liên quan đến những cơ chế riêng biệt trong sinh tinh người, chưa từng được phát hiện khi nghiên cứu trên mô hình động vật. Những gene này là ứng viên tiềm năng cho việc nghiên cứu sâu hơn về vô sinh nam và phát triển các biện pháp tránh thai mới.
Các gene có thay đổi trạng thái thượng di truyền đặc hiệu trong tế bào sinh tinh người
Ngoài việc tìm các gene luôn hoạt động hoặc luôn ở trạng thái tiềm năng đặc hiệu cho người, nhóm nghiên cứu còn tìm kiếm các gene có sự thay đổi trạng thái thượng di truyền chỉ xảy ra ở người trong quá trình từ PS sang RS. Kết quả phát hiện 56 gene có thay đổi thượng di truyền đặc hiệu cho người so với ba loài còn lại. Ví dụ, một số gene có sự chuyển đổi từ trạng thái tiềm năng sang hoạt động trong quá trình sinh tinh ở người, nhưng giữ nguyên trạng thái ở các loài khác.

Những gene có thay đổi thượng di truyền động này có thể là chìa khóa cho sự khác biệt trong sinh tinh giữa người và động vật. Chúng đại diện cho những mục tiêu tiềm năng trong nghiên cứu cơ chế sinh sản người và phát triển các ứng dụng lâm sàng (chẩn đoán, điều trị vô sinh, tránh thai nam).

Kết luận
Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã xác định được tổng cộng 239 gene có sự khác biệt về trạng thái điều hòa thượng di truyền trong các tế bào sinh tinh của người so với các loài động vật có vú khác. Trong đó: 23 gene được xác định là hoạt động đặc hiệu trong sinh tinh người, 176 gene ở trạng thái tiềm năng đặc hiệu trong tinh hoàn người và 56 gene có biến đổi trạng thái thượng di truyền đặc hiệu trong quá trình phát triển từ PS sang RS ở người.
Sự thay đổi gần đây trong quá trình tiến hóa ở các gene này có thể phản ánh những chức năng sinh sản riêng biệt ở người. Các gene có trạng thái thượng di truyền khác biệt có thể đóng vai trò quan trọng trong việc điều hòa quá trình sinh tinh và có tiềm năng liên quan đến vô sinh nam.
Hiểu được chức năng của các gene ứng viên này trong bối cảnh sinh tinh của người có thể giúp nâng cao việc chẩn đoán và điều trị vô sinh nam, cũng như mở ra các phương án phát triển biện pháp tránh thai nam giới mới.

Tài liệu tham khảo: Liao C, Walters BW, DiStasio M, Lesch BJ. Human-specific epigenomic states in spermatogenesis. Comput Struct Biotechnol J. 2023 Dec 27;23:577-588. doi: 10.1016/j.csbj.2023.12.037. PMID: 38274996; PMCID: PMC10809009.