Giới thiệu
Phân mảnh DNA tinh trùng (Sperm DNA fragmentation-SDF) là một yếu tố góp phần gây vô sinh nam. SDF liên quan đến hai loại tổn thương chính đối với chuỗi xoắn kép DNA điển hình: đứt gãy mạch đơn và đứt gãy mạch kép. Cả hai đều có thể xảy ra trong toàn bộ quá trình sinh giao tử. Việc xác định nguyên nhân chính xác gây ra tình trạng SDF tăng cao vẫn còn nhiều thách thức, vì nó bị ảnh hưởng bởi nhiều quá trình sinh lý và yếu tố môi trường. Có bốn thời điểm quan trọng mà tính toàn vẹn DNA của tinh trùng có thể bị tổn hại do đứt gãy chuỗi và sau đó được sửa chữa hoặc thoái hóa. Những thời điểm này bao gồm (1) lỗi nguyên phân và thiếu hụt sửa chữa trong quá trình tăng sinh tinh nguyên bào, (2) đứt gãy sợi đôi (double-strand breaks-DSB) được lập trình và tái tổ hợp trong giảm phân, (3) tái cấu trúc nhiễm sắc thể (NST) khi trao đổi histon thành protamine trong quá trình sinh tinh, và (4) tổn thương ngoại sinh trong quá trình xử lý tinh trùng in vitro trong các quy trình thực hiện thụ tinh trong ống nghiệm ^[1]. Bài viết này khám phá toàn diện các cơ chế cơ bản của SDF, đặc biệt nhấn mạnh vai trò quan trọng của deoxyribonuclease (DNase) trong các giai đoạn phát triển khác nhau của tinh trùng, cũng như mối liên quan của chúng trong công nghệ hỗ trợ sinh sản ^[1].

Sự phân hủy tinh trùng trong quá trình sinh giao tử
Hai cơ chế riêng biệt của sự đứt gãy DNA đã được xác định trong quá trình phát sinh giao tử. Cơ chế đầu tiên liên quan đến những biến đổi thiết yếu cần thiết cho các quá trình chức năng như sửa chữa DNA, tái tổ hợp giảm phân và chuyển đổi histone thành protamine. Cơ chế thứ hai tạo điều kiện cho việc loại bỏ DNA tự do lưu thông hoặc DNA nằm trong các tế bào bị tổn thương, có thể phát sinh từ các lỗi trong các quá trình trước đó hoặc tổn thương do các yếu tố bên ngoài gây ra. Apoptosis và hoại tử là hai cơ chế chính chịu trách nhiệm loại bỏ các tế bào bất thường. Các quá trình phân cắt DNA khác nhau xảy ra trong suốt quá trình phát sinh giao tử liên quan đến các hoạt động enzyme riêng biệt ^[1].

Hình 1. Các enzyme chính tham gia vào quá trình phá vỡ DNA và các giai đoạn sinh tinh mà chúng can thiệp ^[1](CAD: DNase hoạt hóa caspase (Caspase-Activated Dnase); AIF: Yếu tố gây apoptosis (Apoptosis-Inducing Factor); SPO11: Khởi đầu quá trình phá vỡ chuỗi kép giảm phân (Initiator of meiotic double strand breaks); TREX1: Exonuclease sửa chữa (Three Prime Repair Exonuclease 1); TOPO2B: DNA Topoisomerase II Beta; Poldip2: Protein tương tác delta 2 của DNA Polymerase (DNA Polymerase delta-interacting protein 2); DNase I: Deoxyribonuclease I; DNase II: Deoxyribonuclease II).

Cơ chế apoptosis tinh trùng
Quá trình apoptosis đóng vai trò then chốt trong việc loại bỏ chọn lọc các tế bào mầm khiếm khuyết trong quá trình sinh tinh và sau khi xuất tinh ở đường sinh dục nữ. Cơ chế này đóng vai trò bảo vệ tinh trùng khỏi các tế bào mầm bị tổn thương DNA, bất thường NST hoặc bất thường về cấu trúc. Quá trình apoptosis duy trì cân bằng nội môi tinh hoàn và giảm thiểu sự cạnh tranh của tế bào đối với các nguồn dinh dưỡng và hormone hạn chế, bằng cách điều chỉnh việc loại bỏ các tế bào mầm bị tổn thương ^[2].
Ở tế bào mầm, hoạt động apoptosis đã được quan sát thấy ngay từ giai đoạn phát triển của thai nhi. Trong quá trình sinh tinh, apoptosis ảnh hưởng đến tinh nguyên bào, tinh bào giảm phân và đôi khi là các tế bào sau giảm phân. Quá trình này bắt đầu để đáp ứng với nhiều tác nhân gây căng thẳng khác nhau, bao gồm mất cân bằng nội tiết tố, nhiễm trùng, tiếp xúc với độc tố môi trường và stress oxy hóa, ảnh hưởng đến tất cả các giai đoạn biệt hóa tế bào mầm ^[3].
Một trong những sự kiện phân tử sớm nhất trong quá trình apoptosis là sự thẩm thấu màng ngoài ty thể, tạo điều kiện giải phóng cytochrome c vào cytosol. Trong điều kiện apoptosis điển hình, sự giải phóng này dẫn đến sự lắp ráp của apoptosome (phức hợp được hình thành bởi cytochrome c và yếu tố hoạt hóa apoptosis) và sự kích hoạt tiếp theo của chuỗi caspase, chủ yếu liên quan đến các caspase khởi đầu, chẳng hạn như caspase-8 và caspase-9. Một dấu hiệu quan trọng của apoptosis giai đoạn đầu là sự đưa phosphatidylserine (PS) ra ngoài. PS là một phospholipid thường được giới hạn ở lớp trong của màng tế bào chất. PS cũng liên kết với các protein như annexin V, là một protein phụ thuộc canxi có ái lực cao với PS ^[4]. Mặc dù sự đưa PS ra ngoài không liên quan trực tiếp đến sự phân mảnh DNA, nhưng nó thường xảy ra đồng thời trong giai đoạn apoptosis sớm. Trong môi trường tinh hoàn, PS ra ngoài đóng vai trò là tín hiệu cho các tế bào Sertoli, tạo điều kiện cho quá trình thực bào loại bỏ các tế bào mầm bị lỗi ^[4].
Hai dạng apoptosis chính đã được mô tả: hoàn toàn và không hoàn toàn. Apoptosis hoàn toàn bao gồm việc thực hiện đầy đủ chương trình chết tế bào và thường được quan sát thấy ở tinh nguyên bào hoạt động trong nguyên phân và tinh bào nguyên phát. Trong kỳ đầu giảm phân I, nó là kết quả của việc kích hoạt điểm kiểm tra chất lượng. Ngược lại, apoptosis không hoàn toàn đề cập đến việc bắt đầu con đường apoptosis mà không hoàn thành chuỗi phản ứng, dẫn đến các tế bào bị suy giảm chức năng ^[5]. Apoptosis không hoàn toàn đặc biệt nổi bật sau giảm phân trong quá trình biến đổi tinh trùng tròn thành tinh trùng. Các tế bào trải qua quá trình này có thể tránh được quá trình thực bào ngay lập tức và có thể tồn tại dưới dạng các thể còn sót lại hoặc tinh trùng dị dạng, có thể được tế bào Sertoli loại bỏ hoặc xuất tinh ^[6].
Caspase là enzyme nổi bật nhất tham gia vào quá trình phân hủy DNA trong quá trình apoptosis. Tuy nhiên, caspase không trực tiếp phân hủy DNA, thay vào đó, chúng kích hoạt các nuclease chịu trách nhiệm phân mảnh DNA. Một trong những nuclease quan trọng trong quá trình này là DNase hoạt hóa Caspase (CAD), một endonuclease cắt DNA NST thành các đơn vị nucleosome (~các đoạn 180–200 bp), một dấu hiệu đặc trưng của apoptosis. Trong điều kiện bình thường, CAD vẫn không hoạt động do liên kết với ICAD (chất ức chế CAD). Tuy nhiên, Caspase-3 và Caspase-7 có thể phân cắt ICAD, giải phóng CAD hoạt động, sau đó chuyển đến nhân để phân hủy DNA NST ^[7].
Trong quá trình apoptosis, chuỗi apoptosis được khởi động nhưng không hoàn toàn, đặc biệt là caspase-3, thường bị suy yếu. Sự kích hoạt không hoàn toàn này có liên quan đến việc giảm nồng độ testosterone trong tinh hoàn, được biết là ảnh hưởng đến hoạt động của caspase-3. Hơn nữa, sự hiện diện của oxy đơn, khi có stress oxy hóa, ức chế hoạt động enzym của caspase-9 và caspase-3, do đó góp phần ức chế apoptosis. Tóm lại, con đường apoptosis bị gián đoạn này sau hoạt động của caspase có thể góp phần vào sự tồn tại của SDF trong tinh dịch ^[8].
Sự phân cắt DNA ở tinh nguyên bào
Trong quá trình tăng sinh tinh nguyên bào, cơ chế sửa chữa DNA đóng vai trò thiết yếu trong việc bảo tồn tính toàn vẹn của bộ gen, điều này rất quan trọng đối với khả năng sinh sản của nam giới và việc truyền đạt thông tin di truyền một cách chính xác cho thế hệ tiếp theo. Là tế bào soma lưỡng bội, tinh nguyên bào sử dụng các con đường sửa chữa DNA vốn được bảo tồn phần lớn trong số các loại tế bào soma khác. Tuyến phòng thủ ban đầu bao gồm một số cơ chế sửa chữa DNA cơ bản giúp chống lại các nguồn gây tổn thương DNA nội sinh và ngoại sinh. Một số trong số chúng cho phép sửa sai các khiếm khuyết riêng biệt trên các sợi đơn DNA, cụ thể là các tổn thương base nhỏ và sự không bắt cặp. Điều này đúng với các cơ chế BER (Base Excision Repair -Sửa chữa cắt bỏ base), MMR (Mismatch Repair -Sửa chữa không bắt cặp) và NER (Nucleotide Excision Repair -Sửa chữa cắt bỏ nucleotide). Điều quan trọng là, các con đường để giải quyết những lỗi này bao gồm sự tham gia của một số DNase thúc đẩy sự đứt gãy DNA tạm thời. Do đó, bất cứ khi nào những đứt gãy này không được xử lý đúng cách, tinh trùng có thể biểu hiện các mức độ tổn thương DNA khác nhau ^[1].
Đối với DSB được tạo ra bởi các DNase riêng biệt, cần xem xét hai con đường sửa chữa chính: (i) Tái tổ hợp tương đồng (Homologous Recombination -HR) là một cơ chế có độ chính xác cao để sửa chữa DSB và chủ yếu hoạt động trong pha S và G2 của chu kỳ tế bào. Trong quá trình tăng sinh tinh nguyên bào, HR đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự ổn định của bộ gen trước khi bắt đầu giảm phân. (ii) Mối nối không tương đồng (Non-Homologous End Joining -NHEJ) cung cấp một phương pháp sửa chữa DSB nhanh chóng, mặc dù dễ xảy ra lỗi và hoạt động trong suốt chu kỳ tế bào. Mặc dù con đường này cần thiết cho việc duy trì bộ gen trong giai đoạn đầu của tinh nguyên bào, nhưng việc phụ thuộc quá nhiều vào NHEJ có thể dẫn đến đột biến và do đó được điều hòa chặt chẽ. Khi các con đường sửa chữa này không thể khắc phục tổn thương DNA, các tế bào có thể trải qua apoptosis. Trong điều kiện tổn thương nghiêm trọng hoặc không được kiểm soát, hoại tử có thể xảy ra để loại bỏ các tế bào bị tổn thương và duy trì cân bằng nội môi của mô ^[1].
Sự phân cắt DNA trong quá trình sinh tinh
Giảm phân là dạng phân chia tế bào chuyên biệt làm nền tảng cho sinh sản hữu tính và dẫn đến hình thành giao tử. Một đặc điểm chính của quá trình này là sự cảm ứng sớm và được lập trình của DSB dọc theo NST, chủ yếu được trung gian bởi protein SPO11. SPO11 là một protein có liên quan chặt chẽ với Topoisomerase VI, chức năng chính của nó là gây ra sự cắt DNA ở một NST của NST tương đồng. SPO11 vẫn liên kết cộng hóa trị với các đầu DNA bị đứt ^[1].
Các khiếm khuyết trong chức năng SPO11 liên quan đến ngừng giảm phân trong kỳ đầu I, dẫn đến sự gián đoạn quá trình sinh tinh và suy giảm sự phát triển của tinh hoàn. Sự vắng mặt của DSB sẽ phá vỡ quá trình tái tổ hợp, ngăn cản sự hình thành các yếu tố cần thiết cho sự tiếp tục giảm phân I. Đáng chú ý, có những vùng NST mà SPO11 không gây ra sự phân cắt, bao gồm telomere, centromere và các bộ tổ chức nhân. Ở nam giới, hoạt động của SPO11 bị ức chế ở trên NST giới tính. DSB hầu như chỉ được tạo ra ở các vùng tương đồng của NST X và Y (vùng PAR) ^[9].
Sau khi hoàn tất giảm phân ở nam giới, tinh trùng trải qua quá trình tái tổ chức mạnh mẽ bộ gen đơn bội của chúng. Sự biến đổi này được thúc đẩy bởi sự kết hợp của các protein chuyên biệt về protamine thay thế histon trong hầu hết các chromatin. Ban đầu, nhiều biến thể và sửa đổi histon khác nhau góp phần làm thay đổi cấu trúc nucleosome. Sau đó, các protein chuyển tiếp (transition proteins -TNP) tạo điều kiện cho việc thay thế histon bằng protamine. Điều này dẫn đến cấu trúc chromatin có cấu hình hình xuyến nhỏ gọn hơn.
Sự trao đổi các protein tương tác với DNA đòi hỏi phải tạo ra DSB mặc dù không có khuôn mẫu sửa chữa trong NST của tinh trùng. Hai cơ chế đã được đề xuất để tạo ra DSB trong nhân tinh trùng: (1) do sự thay thế cấu trúc nucleosome và (2) tác động của topoisomerase ^[10]. Cơ chế (1) có thể là kết quả của sự tích tụ các siêu xoắn DNA khi histon được thay thế, nhưng điều này một mình có thể không giải thích đầy đủ sự hiện diện của các đầu DNA 3′OH được quan sát thấy trong nhân tinh trùng bằng xét nghiệm TUNEL. Một lời giải thích thay thế liên quan đến hoạt động của topoisomerase, đặc biệt là TOPO2B (Topoisomerase 2β), đã được phát hiện trong quá trình tái cấu trúc chromatin tinh trùng ở chuột. Tóm lại, cả TOPO2B và SPO11 đều có thể góp phần vào DSB vốn có trong quá trình tái cấu trúc chromatin của tinh trùng. Vì NST của tinh trùng không có khuôn mẫu sửa chữa, nên quá trình sửa chữa DSB có thể đi theo một con đường NHEJ thay thế vì ít nhất hai protein chính DNA-PKcs (tiểu đơn vị xúc tác Protein Kinase phụ thuộc DNA) và KU liên quan đến NHEJ không được biểu hiện trong tinh trùng ^[11].
Trong giai đoạn quan trọng này của quá trình tái cấu trúc chromatin, bất kỳ sự thất bại nào trong hoạt động của TOPO2B hoặc SPO11, hoặc bất kỳ khiếm khuyết nào trong các con đường sửa chữa tiếp theo, đều có thể dẫn đến chromatin tinh trùng bị cô đặc không đúng cách. Trong những trường hợp như vậy, cơ chế apoptosis được cho là sẽ loại bỏ các tinh trùng bị ảnh hưởng.
Sự phân cắt DNA trong tinh trùng xuất tinh
Một tỷ lệ đáng kể sự phân mảnh DNA được quan sát thấy trong tinh dịch có liên quan đến các sự kiện sinh lý trong quá trình sinh tinh, bao gồm các hoạt động enzyme được lập trình liên quan đến các quá trình quan trọng như tái tổ hợp gen và trao đổi histone thành protamine. Nếu các quá trình này bất thường, tinh trùng chứa DNA bị phân mảnh có thể tồn tại và hiện diện trong tinh dịch. Ngoài ra, các yếu tố ngoại sinh như stress oxy hóa, nhiệt độ cao và độc tố môi trường có thể góp phần làm tăng mức độ phân mảnh DNA vượt quá ngưỡng sinh lý. Trong bối cảnh này, các cơ chế kiểm soát chất lượng nội tại chịu trách nhiệm xác định và loại bỏ tinh trùng mang DNA khiếm khuyết do các quá trình sinh lý hoặc các tác nhân bên ngoài.
Nếu tinh trùng trưởng thành không hoàn toàn không trải qua quá trình apoptosis, các cơ chế thay thế phải đảm bảo loại bỏ được những tinh trùng không thể di chuyển qua cổ tử cung trong đường sinh dục nữ. Do đó, việc loại bỏ tinh trùng sau xuất tinh có những chức năng quan trọng, bao gồm loại bỏ tinh trùng chất lượng thấp (tức là tinh trùng bị tổn thương DNA, khiếm khuyết về khả năng vận động hoặc bất thường về cấu trúc), và được thực hiện thông qua quá trình thực bào của hệ thống miễn dịch nữ, đặc biệt là bởi đại thực bào ^[1].
Các enzyme tham gia vào quá trình phân cắt DNA trong quá trình phát sinh giao tử
Ngoài các quá trình enzym sinh lý liên quan đến sự tăng sinh tiền giảm phân, sự kết hợp và tái tổ hợp giảm phân, và sự tái cấu trúc chromatin trong quá trình nhiễm protamin, các con đường phân giải nhân khác cũng được sử dụng để loại bỏ tinh trùng khiếm khuyết do lỗi trong các con đường sửa chữa của các quá trình trên, cũng như do tổn thương tế bào tích lũy.
Một số nuclease liên quan đến sự phân mảnh DNA apoptosis bao gồm Endonuclease G (EndoG) và Apoptosis-Inducing Factor (AIF). EndoG là một nuclease ty thể được giải phóng vào cytosol sau khi màng ngoài ty thể thấm qua. Nó góp phần vào sự phân hủy của cả DNA nhân và DNA ty thể (mtDNA) trong quá trình apoptosis, đặc biệt là trong giai đoạn cuối của quá trình trưởng thành tinh trùng, nhắm mục tiêu chọn lọc vào các tinh trùng khiếm khuyết không di chuyển qua đường sinh sản của phụ nữ ^[12].
AIF là một flavoprotein ty thể đóng vai trò trung tâm trong quá trình apoptosis độc lập với caspase. Trong quá trình sinh tinh, AIF được biểu hiện nhiều ở tinh nguyên bào và tinh bào nguyên phát, nơi nó góp phần kiểm soát chất lượng tế bào mầm bằng cách loại bỏ các tế bào có tổn thương DNA hoặc khiếm khuyết về phát triển. Ngược lại, biểu hiện của nó giảm đáng kể trong các giai đoạn sau của quá trình trưởng thành của tinh trùng do thiếu bộ máy apoptosis hoàn chỉnh ở tinh trùng trưởng thành. AIF làm trung gian cho sự đứt gãy DNA trên quy mô lớn, tạo ra các đoạn có kích thước từ 50 kb đến 1 Mb khác biệt với kiểu oligonucleosome điển hình của các con đường phụ thuộc caspase ^[13].
Exonuclease của họ TREX, đặc biệt là Three Prime Repair Exonuclease 1 (TREX1), có liên quan đến việc loại bỏ DNA apoptosis khỏi các tế bào mầm bị lỗi. Các exonuclease 3′–5′ này phân hủy cả các đoạn DNA mạch đơn và mạch kép, bao gồm cả các đoạn được tạo ra bởi DNase hoạt hóa caspase (CAD) và hoạt động phối hợp với DNase II để hoàn thành quá trình loại bỏ DNA sau apoptosis. Hoạt động của chúng rất cần thiết để ngăn ngừa tình trạng viêm mãn tính, phản ứng tự miễn dịch và tổn thương mô tinh hoàn. Mất chức năng hoặc gián đoạn di truyền của các enzyme TREX có liên quan đến tình trạng vô. TREX1 đặc biệt hoạt động trong giai đoạn đầu của quá trình sinh tinh và đã được phát hiện trong các tế bào Sertoli, hỗ trợ vai trò của nó trong giám sát tế bào mầm và loại bỏ các mảnh vụn ^[14].
Gần đây, vai trò của Poldip2 (protein tương tác delta polymerase 2), một exonuclease ty thể được biểu hiện đặc hiệu trong giai đoạn cuối của quá trình sinh tinh, đã được mô tả trong quá trình loại bỏ mtDNA của tinh trùng ở ruồi giấm. Bên cạnh đó, tinh trùng từ các đột biến thiếu Poldip2 biểu hiện sự phân mảnh bộ gen nhân rõ rệt, dẫn đến vô sinh ở nam giới ^[15].
Hoại tử trong tinh trùng
Không giống như apoptosis, một cơ chế chết tế bào được lập trình và điều chỉnh chặt chẽ, hoại tử được xem là một quá trình phá hủy tế bào hỗn loạn và không kiểm soát, ảnh hưởng đến tất cả các thành phần của tế bào và thường liên quan đến phản ứng viêm. Tuy nhiên, bằng chứng gần đây cho thấy hoại tử có thể được coi là một dạng chết tế bào được lập trình khác, hoạt động thông qua một con đường khác với apoptosis ^[16].
Trong khi apoptosis đóng vai trò là cơ chế kiểm soát chất lượng chính để loại bỏ tinh trùng khiếm khuyết, hoại tử cũng có thể góp phần loại bỏ tinh trùng trong một số điều kiện như tiếp xúc với stress oxy hóa cao, viêm, nhiễm trùng hoặc chấn thương cơ học trong khi giao hợp. Hầu hết tinh trùng hoại tử sau đó bị thực bào bởi đại thực bào và bạch cầu trung tính, đây là những thành phần không thể thiếu của phản ứng miễn dịch bẩm sinh trong đường sinh sản của phụ nữ. Một số tế bào miễn dịch, chẳng hạn như tế bào dendrit, có thể nhận dạng tinh trùng là các thực thể lạ, kích hoạt phản ứng viêm và thu hút các tế bào miễn dịch đến vị trí đó ^[1]. Hoại tử có thể xảy ra ở nhiều giai đoạn khác nhau của quá trình sinh tinh, và khi tinh trùng di chuyển qua đường sinh sản của con cái. Mặc dù apoptosis là cơ chế chủ yếu để loại bỏ các tế bào mầm khiếm khuyết hoặc dư thừa, hoại tử cũng có thể xảy ra, đặc biệt là trong điều kiện bệnh lý hoặc sau khi tiếp xúc với các tác nhân độc hại.
Cả apoptosis và hoại tử đều được quan sát thấy trong tinh trùng xuất tinh. Trong quá trình hoại tử, sự phân hủy DNA được tạo điều kiện thuận lợi bởi DNase I, một endonuclease hoạt động trong cả môi trường ngoại bào và nội bào, cần các cation hóa trị hai (Ca2⁺ và Mg2 ⁺) để hoạt động và được giải phóng khỏi lysosome khi tế bào bị ly giải. Ngoài ra, DNase II, một endonuclease lysosome hoạt động trong điều kiện axit như những điều kiện có trong âm đạo, đóng một vai trò quan trọng trong việc phân hủy DNA từ các tế bào chết theo chương trình và hoại tử trong đại thực bào. Không giống như DNase I, DNase II không cần các cation hóa trị hai cho hoạt động enzym của nó. Các nghiên cứu khác đã nhấn mạnh tác động của các yếu tố gây viêm trong tinh dịch, đặc biệt là sự gia tăng các cytokine tiền viêm như yếu tố hoại tử khối u alpha (TNF-α) ^[17].
Trong các quá trình do hoại tử gây ra, DNase γ phối hợp với DNase I. Enzym đầu tiên gây đứt gãy DNA liên nucleosome, trong khi DNase I là một enzyme thứ cấp gây ra sự phân hủy DNA ngẫu nhiên để phân hủy hoàn toàn. Hơn nữa, DNase γ hoạt động trong các cơ quan khác nhau để tạo điều kiện cho việc loại bỏ DNA và tham gia vào các bước khác nhau của quá trình biệt hóa tinh trùng. Do đó, enzyme này có thể được coi là một ứng cử viên tốt để tham gia vào con đường hoại tử, mặc dù vai trò cụ thể của nó vẫn chưa rõ ràng ^[18].
Ở người, hoại tử có thể xảy ra ở bất kỳ độ tuổi nào, tuy nhiên, tỷ lệ sẽ tăng theo tuổi tác. Sự gia tăng đồng thời của hoại tử và apoptosis, cùng với sự suy giảm khả năng vận động của tinh trùng, đã được quan sát thấy ở nam giới lớn tuổi. Tác động này trở nên có ý nghĩa thống kê ngay từ 35 tuổi, với các con đường riêng biệt liên quan đến hoại tử tinh trùng sau 40 tuổi ^[19].
Sự tổn thương DNA tinh trùng trong quá trình hỗ trợ sinh sản
Sau khi xuất tinh và áp dụng các kỹ thuật in vitro trong quá trình hỗ trợ sinh sản, tinh trùng được tách khỏi môi trường bảo vệ của đường sinh dục nam. Do đó, chúng ngày càng dễ bị tổn thương bởi nhiều tác nhân gây stress ngoại sinh, bao gồm stress oxy hóa, biến động nhiệt độ, pH, điều kiện thẩm thấu và các thao tác cơ học trong quá trình xử lý trong phòng thí nghiệm. Tác động có hại của các yếu tố này càng trầm trọng hơn do khả năng tự chống lại tổn thương của tinh trùng vốn đã hạn chế. Kết quả là, tất cả các thành phần tế bào, đặc biệt là DNA nhân, đều rất dễ bị phân hủy. Các quy trình trong hỗ trợ sinh sản, bao gồm ly tâm, bảo quản lạnh có thể làm trầm trọng thêm mức tổn thương cơ bản này. Trong những điều kiện như vậy, SDF đã được quan sát thấy tăng dần theo thời gian ^[1].
Kết luận
Thách thức trong việc xác định nguồn gốc đứt gãy DNA của tinh trùng xuất phát từ đặc điểm sinh học phức tạp của quá trình sinh tinh, bản chất đa yếu tố của tổn thương DNA và những hạn chế của các phương pháp chẩn đoán hiện tại trong việc phát hiện chính xác những tổn thương đó. Sự hiện diện và tính biến thiên giữa các cá thể của hoạt động DNase trong huyết tương tinh dịch đặc biệt liên quan đến ART, vì các hoạt động enzyme này có thể đóng vai trò là nguồn gốc gây ra sự phân mảnh DNA bổ sung sau tinh hoàn ở tinh trùng, vốn có cấu trúc DNA nguyên vẹn mà không bị đứt gãy trong tinh dịch. Sự tham gia tiềm ẩn của DNase, chẳng hạn như DNase I và II, và các enzyme khác như SPO11 hoặc topoisomerase, có thể được giải phóng trong quá trình phân hủy tế bào ở các giai đoạn khác nhau của quá trình sinh giao tử, cần được nghiên cứu thêm để làm rõ vai trò sinh lý của chúng đối với sự phân mảnh DNA tinh trùng, đặc biệt là liên quan đến tổn thương do điều trị liên quan đến các thủ thuật ART.
Từ khóa: phân mảnh DNA tinh trùng, vô sinh nam, hoạt động enzym DNase
Tài liệu tham khảo
1. Gosálvez, J., López-Fernández, C., Bartolomé-Nebreda, J., & García de la Vega, C. (2025). Hurdles of Sperm Success: Exploring the Role of DNases. International Journal of Molecular Sciences, 26(14), 6789. https://doi.org/10.3390/ijms26146789
2. Shukla, K. K., Mahdi, A. A., & Rajender, S. (2012). Apoptosis, spermatogenesis and male infertility. Frontiers in Bioscience (Elite Edition), 4(2), 746–754. https://doi.org/10.2741/415
3. Xu, Y.-R., Dong, H.-S., & Yang, W.-X. (2016). Regulators in the apoptotic pathway during spermatogenesis: Killers or guards? Gene, 582(2), 97–111. https://doi.org/10.1016/j.gene.2016.02.007
4. Lee, S.-H., Meng, X. W., Flatten, K. S., Loegering, D. A., & Kaufmann, S. H. (2013). Phosphatidylserine exposure during apoptosis reflects bidirectional trafficking between plasma membrane and cytoplasm. Cell Death and Differentiation, 20(1), 64–76. https://doi.org/10.1038/cdd.2012.93
5. Sakkas, D., Seli, E., Bizzaro, D., Tarozzi, N., & Manicardi, G. C. (2003). Abnormal spermatozoa in the ejaculate: Abortive apoptosis and faulty nuclear remodelling during spermatogenesis. Reproductive Biomedicine Online, 7(4), 428–432. https://doi.org/10.1016/s1472-6483(10)61886-x
6. Kierszenbaum, A. L. (2001). Apoptosis during spermatogenesis: The thrill of being alive. Molecular Reproduction and Development, 58(1), 1–3. https://doi.org/10.1002/1098-2795(200101)58:1%253C1::AID-MRD1%253E3.0.CO;2-0
7. Haimovici, A., Rupp, V., Amer, T., Moeed, A., Weber, A., & Häcker, G. (2024). The caspase-activated DNase promotes cellular senescence. The EMBO Journal, 43(16), 3523–3544. https://doi.org/10.1038/s44318-024-00163-9
8. Chen, K.-Q., Wei, B.-H., Hao, S.-L., & Yang, W.-X. (2022). The PI3K/AKT signaling pathway: How does it regulate development of Sertoli cells and spermatogenic cells? Histology and Histopathology, 37(7), 621–636. https://doi.org/10.14670/HH-18-457
9. Boateng, K. A., Bellani, M. A., Gregoretti, I. V., Pratto, F., & Camerini-Otero, R. D. (2013). Homologous Pairing Preceding SPO11 Mediated Double Strand Breaks in Mice. Developmental Cell, 24(2), 196–205. https://doi.org/10.1016/j.devcel.2012.12.002
10. Gouraud, A., Brazeau, M.-A., Grégoire, M.-C., Simard, O., Massonneau, J., Arguin, M., & Boissonneault, G. (2013). “Breaking news” from spermatids. Basic and Clinical Andrology, 23, 11. https://doi.org/10.1186/2051-4190-23-11
11. Ahmed, E. A., de Boer, P., Philippens, M. E. P., Kal, H. B., & de Rooij, D. G. (2010). Parp1-XRCC1 and the repair of DNA double strand breaks in mouse round spermatids. Mutation Research, 683(1–2), 84–90. https://doi.org/10.1016/j.mrfmmm.2009.10.011
12. Ishihara, Y., & Shimamoto, N. (2006). Involvement of endonuclease G in nucleosomal DNA fragmentation under sustained endogenous oxidative stress. The Journal of Biological Chemistry, 281(10), 6726–6733. https://doi.org/10.1074/jbc.M510382200
13. Sevrioukova, I. F. (2011). Apoptosis-Inducing Factor: Structure, Function, and Redox Regulation. Antioxidants & Redox Signaling, 14(12), 2545–2579. https://doi.org/10.1089/ars.2010.3445
14. Rezende, N., Lee, M.-Y., Monette, S., Mark, W., Lu, A., & Gudas, L. J. (2011). Rex1 (Zfp42) Null Mice Show Impaired Testicular Function, Abnormal Testis Morphology, and Aberrant Gene Expression. Developmental Biology, 356(2), 370–382. https://doi.org/10.1016/j.ydbio.2011.05.664
15. Chen, Z., Zhang, F., Lee, A., Yamine, M., Wang, Z.-H., Zhang, G., Combs, C., & Xu, H. (2025). Mitochondrial DNA removal is essential for sperm development and activity. The EMBO Journal, 44(6), 1749–1773. https://doi.org/10.1038/s44318-025-00377-5
16. Vanden Berghe, T., Linkermann, A., Jouan-Lanhouet, S., Walczak, H., & Vandenabeele, P. (2014). Regulated necrosis: The expanding network of non-apoptotic cell death pathways. Nature Reviews. Molecular Cell Biology, 15(2), 135–147. https://doi.org/10.1038/nrm3737
17. Sosnin D, Y., Galkovich K, R., Krivtsov A, V., & Gilmanov A, Z. (2024). [Tumor necrosis factor in the ejaculate as an indicator of reduced fertility]. Urologiia (Moscow, Russia: 1999), 1, 80–85.
18. Mizuta, R., Araki, S., Furukawa, M., Furukawa, Y., Ebara, S., Shiokawa, D., Hayashi, K., Tanuma, S., & Kitamura, D. (2013). DNase γ Is the Effector Endonuclease for Internucleosomal DNA Fragmentation in Necrosis. PLoS ONE, 8(12), e80223. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0080223
19. Siddighi, S., Chan, C. A., Patton, W. C., Jacobson, J. D., & Chan, P. J. (2007). Male age and sperm necrosis in assisted reproductive technologies. Urologia Internationalis, 79(3), 231–234. https://doi.org/10.1159/000107955