ThS. Nguyễn Ngọc Yến Nhi, ThS. Lâm Thị Mỹ Hậu - Olea Fertility
 
I. Giới thiệu
Di truyền biểu sinh hay di truyền ngoại gene (Epigenetics) là một lĩnh vực phức tạp và cơ chế chưa rõ ràng, tập trung vào sự biến đổi sinh hóa xung quanh các phân tử DNA để điều chỉnh mức độ biểu hiện gene trên các phân tử DNA đó mà không làm thay đổi trình tự nucleotide. Nói cách khác, những sửa đổi này kiểm soát biểu hiện kiểu hình mà không làm thay đổi di truyền. Methyl hóa DNA, biến đổi histone sau dịch mã và hoạt động điều hòa các RNA không mã hóa (ncRNA) là 3 cơ chế di truyền biểu sinh cơ bản được biết đến. Sự hoạt động bất thường của 1 trong 3 cơ chế này trên các gene có liên quan đến quá trình sinh sản đều có khả năng gây vô sinh ở các mức độ khác nhau [1].
Biến đổi histone sau dịch mã trong di truyền biểu sinh có liên quan mật thiết đến một sự kiện quan trọng trong quá trình sinh tinh bình thường, đó là sự thay thế histone bởi protamine hay sự protamine hóa. Kết quả của sự kiện này là tạo thành tế bào tinh trùng hoàn chỉnh có vùng nhân nén cực đại. Từ đó, tạo điều kiện thuận lợi cho việc di chuyển cũng như bảo vệ sự toàn vẹn DNA trong quá trình tinh trùng di chuyển đến gặp noãn. Thực tế, chỉ 90-95% histone được thay thế bằng protamine và 5-10% vẫn là histone [2]. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng bất thường trong quá trình thay thế histone bằng protamine cũng là một trong những nguyên nhân gây tổn thương DNA tinh trùng và giảm chất lượng tinh trùng [3, 4, 5]. Có thể thấy, quá trình protamine hóa diễn ra với tỉ lệ histone - protamine phù hợp là một phần thiết yếu của khả năng sinh sản nam giới bình thường, đồng thời, phản ánh vai trò quan trọng của sự phối hợp chính xác và nhịp nhàng của các biến đổi histone sau dịch mã.
Phạm vi bài tổng hợp này tập trung làm rõ cơ chế và vai trò của các biến đổi histone sau dịch mã phổ biến trong quá trình thay thế histone bởi protamine, và qua đó gián tiếp tác động đến chất lượng tinh trùng.
 
II. Cơ chế và vai trò của các biến đổi histone sau dịch mã trong sự protamine hóa
Histone là protein thiết yếu tổ chức DNA thành nucleosome, đơn vị cơ bản của chromatin. Mỗi nucleosome bao gồm 145–147 cặp bazơ DNA quấn quanh một histone lõi là một octamer được hình thành bởi 4 cặp histone H2A, H2B, H3 và H4. Các nucleosome này được liên kết bởi histone H1, tạo điều kiện cho sự xoắn cuộn thành các cấu trúc chromatin bậc cao hơn (Hình 1). Ở trạng thái ngưng tụ, các nucleosome xoắn chặt và xếp chồng lên nhau khiến các gene không dễ tiếp cận để kích hoạt. Các sự kiện chính trong biến đổi histone sau dịch mã có thể kể đến là các sửa đổi cộng hóa trị trên histone và biến thể histone [6].
Sửa đổi cộng hóa trị bao gồm nhiều dạng phản ứng thuận nghịch khác nhau nhưng phổ biến nhất và được nghiên cứu nhiều nhất là phản ứng acetyl hóa, methyl hóa, phosphoryl hóa bên cạnh các phản ứng khác như ubiquitin hóa, glycosyl hóa, … diễn ra ở đuôi N của histone. Biến thể histone là thuật ngữ dùng cho những histone có mang một vài khác biệt trong trình tự acid amin so với histone tiêu chuẩn, được biểu hiện và có vai trò điều hòa trong nhiều quá trình khác nhau trong cơ thể [7].
Trong quá trình sinh tinh, kết quả của tất cả sự kiện trên là sự nới lỏng của DNA quấn xung quanh các histone, tạo điều kiện thuận lợi để thay thế các histone bằng protein chuyển tiếp (Transition protein - TP), là các protein giàu arginine và lysine được mã hóa bởi gene Tnp1 và Tnp2 [8]. Sau đó, protamine 1 (PRM1) và protamine 2 (PRM2) sẽ thay thế các protein chuyển tiếp và cho phép thu gọn DNA tinh trùng 20 lần so với tế bào sinh dưỡng [9]. PRM1 và PRM2 được tìm thấy trong bộ gen tinh trùng với tỉ lệ xấp xỉ 1:1 [10]. Sự mất cân đối trong tỉ lệ này đã được chứng minh ảnh hưởng đến quá trình sinh tinh, các thông số tinh dịch kém, tăng phân mảnh DNA và giảm khả năng thụ tinh trong IVF [11, 12].

Hình 1: Cấu trúc nucleosome (Nguồn: Madhusanka)
II.1. Sửa đổi cộng hóa trị trên histone
II.1.1. Acetyl hóa
Acetyl hóa là quá trình gắn thêm các nhóm acetyl (-C2H5) vào các gốc lysine nhờ sự tham gia của enzyme Histone Acetyltransferase (HAT). Khi sự acetyl hóa diễn ra trên histone, điện tích dương trên histone bị giảm dẫn đến giảm ái lực giữa histone-DNA, do đó tăng khả năng tiếp cận gene [13]. Quá trình acetyl hóa histone H2A, H2B, H3, H4 đã được phát hiện trong tinh hoàn động vật có vú [14]. Ở Drosophila, việc bất hoạt các HAT bằng Anacardic acid ngăn chặn sự phân hủy histone và sự thay thế protamine trong quá trình sinh tinh [15], điều này cho thấy rằng quá trình acetyl hóa histone là cần thiết để thay thế histone thành protamine.
Năm 2014, với kỹ thuật miễn dịch mô hóa học, Shirakata và cộng sự đã phân tích sự thay đổi mức độ của các dạng biến đổi của histone H4 trong quá trình sinh tinh và đã chứng minh rằng mỗi giai đoạn của tinh trùng đều cho thấy các kiểu biến đổi H4 cụ thể, bao gồm cả acetyl hóa và methyl hóa. Sự tăng cường acetyl hóa histone H4 (Hypac-H4) tại các gốc lysine 5, 8, 12 và 16 (H4K5ac, H4K8ac và H4K16ac) đã được ghi nhận trong giai đoạn tinh trùng kéo dài ở chuột, cao hơn so với giai đoạn tinh bào. Sự biến đổi này có vai trò quan trọng trong việc tái cấu trúc nucleosome, tạo điều kiện cho việc thay thế histone bằng protamine trong nhân tinh trùng [16]. Quá trình Hypac-H4 giảm có liên quan đáng kể đến tình trạng sinh tinh bị suy yếu, dẫn đến tình trạng thiểu tinh hoặc vô tinh tùy vào mức độ và vị trí gắn [17].
II.1.2. Methyl hóa
Methyl hóa bao gồm việc thêm các nhóm methyl (-CH3) vào các gốc lysine hoặc arginine, là những axit amin dồi dào nhất trong histone, diễn ra nhờ sự tham gia của enzyme Histone Methyltransferase (HMT) [13]. Methyl hóa histone là một cơ chế sửa đổi histone khác có liên quan đến sự hoạt hóa hoặc ức chế trạng thái các gene trên chromatin.
Nhiều dạng methyl hóa histone đã được xác định trong giai đoạn tinh trùng kéo dài ở người như H3K4me3, H3K9me2, H3K9me3, H3K36me3, H3K79me3, H4me3, H4K20me2, … [16, 18]. H3K4me3 xúc tác quá trình acetyl hóa histone H3, tạo điều kiện cho quá trình loại bỏ histone. H3K9me1/2/3, H3K36me3 có vai trò trong điều hòa biểu hiện gene Tnp1,2 và Prms (gene mã hóa các PRM). H3K79me3 liên quan đến quá trình tăng acetylation histone H4. Do đó, lập trình biểu sinh chính xác của quá trình methyl hóa histone là yếu tố cần thiết cho hoạt động bình thường của các quá trình biến đổi histone khác trong giai đoạn hoàn thiện cấu trúc của tinh trùng. JHDM2A là một demethylase đặc hiệu cho H3K9me1/2. Việc thiếu hụt gene Jhdm2a ở chuột biểu hiện các khiếm khuyết ngưng tụ chromatin sau giảm phân và dẫn đến vô sinh ở nam giới [18].
II.1.3. Phosphoryl hóa
Quá trình phosphoryl hóa histone được xúc tác bởi các kinase có liên quan đến nhiều quá trình tế bào. Phosphoryl hóa sau dịch mã thường được quan sát thấy trên các gốc serine, threonine và tyrosine trên cả 4 histone lõi.
Một serine/threonine kinase được phát hiện gần đây có tên SSTK được tìm ra ở người và động vật có vú, có vài trò quan trọng trong trong việc xúc tác phản ứng phosphoryl hóa histone trong quá trình protamine hóa. Protein SSTK xúc tác sự phosphoryl hóa histone H1, H2A, H2AX. Việc xóa gen SSTK ở chuột đã được Spiridonov khảo sát và cho thấy sự suy giảm nghiêm trọng khả năng vận động và hình thái của tinh trùng [19]. Phosphoryl hóa histone H2AX tại gốc Ser139 đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình sinh học, như tái tổ hợp giảm phân và bất hoạt nhiễm sắc thể giới tính nam trong tế bào mầm [20]. Trong khi đó, phosphoryl hóa histone H4S1 được phát hiện là cần thiết cho quá trình nén chặt chromatin và sự thay thế histone trong quá trình sinh tinh [9]. Do đó, khiếm khuyết trong quá trình phosphoryl hóa histone có thể liên quan đến rối loạn chức năng và chất lượng tinh trùng.

II.2. Biến thể histone
Các biến thể histone đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình trong cơ thể, chẳng hạn như sửa chữa DNA, phân tách nhiễm sắc thể, điều hòa phiên mã, sự ổn định của bộ gen, … Dưới đây là một số dạng biến thể histone có liên quan đến quá trình sinh tinh đã được tổng hợp [18] (Bảng 1).
 
Bảng 1: Các biến thể histone chính trong quá trình chuyển đổi từ histone sang protamine

Histone	Tên biến thể	Giai đoạn biểu hiện chính	Vai trò
H1	H1T	Tinh trùng kéo dài	H1T liên kết ít chặt chẽ hơn với các nucleosome, duy trì cấu hình chromatin tương đối mở để tạo điều kiện thay thế histone
	H1T2	Tinh trùng tròn và kéo dài	- Quan trọng trong sự kết hợp của protamine và sự ngưng tụ chromatin thích hợp. - Con đực đột biến H1t2 đồng hợp tử không có khả năng sinh sản do sự ngưng tụ nhân chậm và sự kéo dài bất thường của tinh trùng. Phân tích sâu hơn cho thấy mức protamine giảm đáng kể trong tinh trùng không có gene H1t2.
	HILS1	Tinh trùng kéo dài	- Ở Drosophila, gene Mst77F mã hóa một protein tương tự như HILS1 ở động vật có vú. Sự gián đoạn của Mst77F khiến con đực sản xuất tinh trùng có đầu dị dạng. - Tuy nhiên, vai trò chức năng của HILS1 trong quá trình sinh tinh ở động vật có vú cần được nghiên cứu thêm.
H2A	TH2A	Tổng hợp tích cực trong các tinh bào sơ cấp và dần biến mất trong quá trình ngưng tụ nhân tinh trùng	- Góp phần vào cấu trúc chromatin mở và hợp tác với TH2B để điều chỉnh sự kết hợp TP2. - Mặc dù mô hình chuột loại bỏ gen Th2a vẫn chưa được thiết lập, nhưng những con chuột bị loại cả 2 gene Th2a và Th2b biểu hiện tình trạng sản xuất ít tinh trùng trong mào tinh.
	H2AL2	Ngưng tụ nhân tinh trùng	Cần thiết để gắn TPs lên nucleosome và lắp ráp PRMs hiệu quả trong quá trình chuyển đổi histone thành protamine.
	H2A.B	Từ giai đoạn pachytene trong kì đầu giảm phân I đến tinh trùng tròn	- Chuột đực không có gene H2a.b không có khả năng sinh sản do sản xuất tinh trùng bất thường và ống sinh tinh bị tắc. - Ở tinh trùng kéo dài không có gene H2a.b, việc thay thế TP1 bằng protamine bị trì hoãn.
H2B	TH2B	Tinh trùng tròn và kéo dài	- Biến thể histone đặc hiệu tinh hoàn TH2B là một trong những biến thể histone sớm nhất được xác định trong tinh hoàn. - TH2B làm mất ổn định chromatin và điều chỉnh sự kết hợp TPs và PRMs.
H3	H3.3	Biểu hiện trong toàn bộ ống sinh tinh	- Góp phần vào cấu trúc chromatin mở, điều chỉnh quá trình loại bỏ TP1 và kết hợp PRM1. - Ở động vật có vú, H3.3 có thể được mã hóa bởi hai gene H3f3a và H3f3b, và sự phá vỡ cấu trúc H3f3a có thể tạo ra tinh trùng bất thường. - Trong các tế bào mầm không có H3f3b, TP1 hoạt động bất thường trong tinh trùng kéo dài trong khi PRM1 không được quan sát thấy trong tinh trùng kéo dài và tinh trùng trưởng thành.
	H3T	Tinh trùng tròn và kéo dài	- DNA xung quanh các vùng H3T nới lỏng hơn so với nucleosome chứa H3 và polynucleosome chứa H3T có thể hình thành cấu hình mở hơn so với H3. - Sự phá vỡ H3T dẫn đến con đực vô tinh. Tinh bào và tinh tử không được tìm thấy trong tinh hoàn chuột không có gene H3t.

 
III. Kết luận
Mặc dù đã được nghiên cứu và công nhận vai trò trong hầu hết các quá trình chuyển hóa của cơ thể từ nhiều năm trước, biến đổi histone sau dịch mã nói riêng và di truyền biểu sinh nói chung vẫn là một lĩnh vực vẫn chưa được hiểu rõ ràng và đầy đủ do sự tương tác phức tạp và thuận nghịch ở mức độ phân tử của các cơ chế liên quan. Bên cạnh đó, phần lớn các nghiên cứu sâu liên quan đến di truyền biểu sinh được thực hiện trên mô hình động vật. Dù vậy, những hiểu biết này giúp gợi ý thêm một yếu tố chẩn đoán khi mọi nổ lực cải thiện điều trị đều không thành công và có thể là hướng mở cho các nghiên cứu về các trường hợp vô sinh không rõ nguyên nhân trong tương lai.
Cùng với sự tiến bộ của khoa học, các phương pháp chẩn đoán phát hiện bất thường di truyền biểu sinh cũng đã được phát triển, chẳng hạn như Bisulfite Sequencing, Methylation-Specific PCR (MSP), Chromatin Immunoprecipitation (ChIP) [1]. Tuy mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm riêng nhưng đây cũng là công cụ hữu ích giúp các nhà khoa học phát triển các liệu pháp điều trị hiệu quả hơn trong tương lai. Chẳng hạn như, các liệu pháp tác động vào các lỗi methyl hóa DNA hoặc thay đổi histone trong các tế bào sinh tinh có khả năng làm tăng chất lượng tinh trùng theo thời gian. Các liệu pháp này cũng có thể được lặp lại hoặc thay đổi dựa trên phản ứng của từng cá thể, giúp tăng khả năng cải thiện khả năng sinh sản nam giới.

Tài liệu tham khảo

1. Martinovi’c LS., et al., Decoding the Epigenetics of Infertility: Mechanisms, Environmental Influences, and Therapeutic Strategies. Epigeneomes, 2024. 8(3):34.
2. Hammoud SS., et al., Distinctive chromatin in human sperm packages genes for embryo development. Nature, 2009. 460:473-478.
3. Dehghanpour F., Fesahat F., Yazdinejad F., Motamedzadeh L., Talebi AR., Is there any relationship between human sperm parameters and protamine deficiency in different groups of infertile men? Rev Int Andrología, 2020. 18(4):137–43.
4. Hamilton TR dos S, Assumpção MEOD. Sperm DNA fragmentation: causes and identification. Zygote, 2020. 28(1):1–8.
5. Amor H., Shelko N., Hamad MF., Zeyad A., Hammadeh ME., An additional marker for sperm DNA quality evaluation in spermatozoa of male partners of couples undergoing assisted reproduction technique (IVF/ICSI): Protamine ratio. Andrologia, 2019. 51(10): e13400.
6. Dupont C., Armant DR., Brenner CA., Epigenetics: definition, mechanisms and clinical perspective. Semin Reprod Med, 2009. 27(5):351-7.
7. Marzouni ET., et al., Epigenetic Modifications, A New Approach to Male Infertility Etiology: A Review. Int J Fertil Steril, 2022. 16(1):1–9.
8. Meistrich ML., Mohapatra B., Shirley CR., Zhao M., Roles of transition nuclear proteins in spermiogenesis. Chromosoma, 2003. 111(8):483–488.
9. Bao J., Bedford MT., Epigenetic regulation of the histone-to-protamine transition during spermiogenesis. Reproduction, 2016. 151:55–70.
10. Carell DT., Liu L., Altered protamine 2 expression is uncommon in donors of known fertility, but common among men with poor fertilizing capacity, and may reflect other abnormalities of spermiogenesis. J Androl, 2001. 22(4):604-610.
11. Aoki VW., et al., Sperm protamine 1/protamine 2 ratios are related to in vitro fertilization pregnancy rates and predictive of fertilization ability. Fertil Steril, 2006. 86(5):1408-1415.
12. Hammoud S., Liu L., Carrell DT., Protamine ratio and the level of histone retention in sperm selected from a density gradient preparation. Andrologia, 2009. 41(2):88-94.
13. Bannister, A.J., Kouzarides, T., Regulation of Chromatin by Histone Modifications. Cell Res, 2011. 21:381–395.
14. Oliva R., Mezquita C., Marked differences in the ability of distinct protamines to disassemble nucleosomal core particles in vitro. Biochemistry, 1986. 25(21):6508–6511.
15. Awe S., Renkawitz-Pohl R., Histone H4 acetylation is essential to proceed from a histone- to a protamine-based chromatin structure in spermatid nuclei of Drosophila melanogaster. Syst Biol Reprod Med, 2010. 56(1):44–61.
16. Shirakata Y., Hiradate Y., Inoue H., Sato E., Tanemura K., Histone h4 modification during mouse spermatogenesis. J Reprod Dev, 2014. 60(5):383-387.
17. Oikawa M., et al., Epigenetic homogeneity in histone methylation underlies sperm programming for embryonic transcription. Nat Commun, 2020. 11(1):3491–3491.
18. Wang T., Gao H., Li W., Liu C., Essential Role of Histone Replacement and Modifications in Male Fertility. Front Genet, 2019. 10:962.
19. Spiridonov NA., Wong L., Zerfas PM., Starost MF., Pack SD., Paweletz CP., et al., Identification and characterization of SSTK, a serine/threonine protein kinase essential for male fertility. Mol Cell Biol, 2005. 25(10):4250–4261.
20. Li A., Eirin-Lopez J., Ausio J., H2AX: tailoring histone H2A for chromatin-dependent geneomic integrity. Biochem Cell Biol, 2005. 83(4):505–515.

Từ khóa: Biến đổi histone sau dịch mã và sự protamine hóa tinh trùng