CNSH. Nguyễn Quỳnh Như¹ , ThS. Lâm Thị Mỹ Hậu^2
1 Bệnh viện Đại học Y Dược Buôn Ma Thuột
² Olea Fertility, Bệnh viện Quốc tế Vinmec Central Park


Tổng quan về Protamine
Tinh trùng là một tế bào phức tạp do có chức năng và cấu trúc rất chuyên biệt so với các tế bào khác trong cơ thể. Các gen trong tinh trùng không thực hiện các chức năng phiên mã và dịch mã mà DNA được gấp cuộn chặt chẽ ở trạng thái gần như cô đặc. Chức năng cơ bản của tinh trùng là bảo tồn DNA và vận chuyển bộ gen đơn bội đến tế bào noãn một cách nguyên vẹn và bắt đầu quá trình thụ tinh. Để thực hiện những chức năng này, tinh trùng có một loại protein chuyên biệt cao là protamine. Protamine đã được phát hiện ở tinh trùng cá hồi từ hơn 100 năm trước bởi Friedrich Miescher (1). Ở người, protamine được biết đến là các protein chứa đến 48% axit amin (aa) arginine, do đó các protein này tích điện dương rất cao. Điều này cho phép protamine có khả năng tạo thành phức chất với DNA bộ gen ở trạng thái siêu gấp cuộn. Ngoài ra, protamine còn chứa thành phần là các cysteine có đầu chứa –SH tạo thành liên kết disulphide giữa các protamine liền kề, giúp làm ổn định cấu trúc phức hợp nucleoprotamine.



Ở động vật có vú, có hai loại protamine được phát hiện: protamine 1 (P1) và họ protamine 2 (P2). Trong khi P1 có mặt trong hầu hết các loài động vật có xương sống, họ P2 chỉ có mặt ở một số loài động vật có vú nhất định gồm cả chuột và người. P1 thường chứa 49-50 aa, gồm 3 miền chính: miền giàu arginine ở trung tâm và vùng chứa cysteine ở 2 đầu. Mỗi phân tử P1 sẽ liên kết với 10-11bp DNA. Họ P2 có nhiều aa hơn P1, thường chứa khoảng 57-58 aa, bao gồm các thành phần P2, P3 và P4 chỉ khác nhau ở phần aa mở rộng, trong tinh trùng người P2 chiếm tỉ lệ nhiều nhất trong họ P2.
Các gen tổng hợp protamine ở người nằm trên nhiễm sắc thể số 16 gồm gen P1 (PR1), gen P2 (PR2) và gen protamine chuyển tiếp (PRT). Các gen này cùng nằm trên một gen dạng “loop”. Các P1 được tổng hợp dưới dạng protein trưởng thành có đầy đủ các chức năng cần thiết của một protamine, trong khi P2 được tạo thành thông qua sự phân cắt từ protamine tiền chất chứa từ 66-101 aa.


Chức năng Protamine
Cho đến nay, ba chức năng chính của protamine đã được chứng minh làm rõ: (i) tạo thành cấu trúc siêu xoắn, phù hợp kích thước đầu tinh trùng, (ii) đảm bảo thông tin di truyền được bảo vệ thực hiện in dấu bộ gen của cha và (iii) kích hoạt quá trình bảo vệ DNA khỏi các gốc tự do và các enzyme nuclease trong tế bào. Protamine tạo điều kiện hình thành các liên kết giữa vị trí arginine mang điện tích dương và DNA mang điện tích âm. Các liên kết này trung hòa điện tích âm tại các vùng xương sống phosphodiester của DNA và cho phép các DNA sắp xếp liền kề nhau tạo thành một cấu trúc nhỏ gọn.

Trong tinh trùng động vật có vú, các protamine liên kết với DNA ở vị trí cuối cùng sẽ bị “khoá” bởi các liên kết disulfide, điều này làm bất hoạt bộ gen DNA trong suốt quá trình từ tinh trùng trưởng thành cho đến khi thụ tinh thành công. Ngoài ra, cấu trúc cuộn chặt của phức hợp protamine-DNA cùng với vị trí các đầu protamine bị “khoá” giúp cho bộ gen tinh trùng thoát khỏi sự tác động bởi các phân tử oxy hóa và các enzyme nội bào trong suốt quá trình di chuyển trong ống sinh tinh đến mào tinh và đến vị trí thụ tinh. Mặc dù sự ngưng tụ nhiễm sắc thể tinh trùng không đóng vai trò trực tiếp trong việc định hình đầu tinh trùng, tuy nhiên phức hợp protamine –DNA không tích điện do đó cho phép các phân tử DNA được cô đặc thành một khối chỉ bằng 1/20 so với hạt nhân ở tế bào soma. Sự ngưng tụ này cho phép nhiễm sắc thể phù hợp với kích thước đầu nhỏ của tinh trùng và đóng góp gián tiếp đến tốc độ di chuyển của tinh trùng. Điều này là hoàn toàn phù hợp khi những nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng những tinh trùng có sự bất thường trong gấp cuộn DNA có mối tương quan với hình dạng đầu bất thường (2).

Quá trình tổng hợp Protamine
Trong giai đoạn cuối của quá trình sinh tinh, cấu trúc nucleohistone đang dần tháo rời, sau đó thay thế bằng các protamine chuyển tiếp và cuối cùng là bởi P1 và P2. Quá trình chuyển đổi này bắt đầu bằng những thay đổi rất rõ ràng trong hoạt động của chất nhiễm sắc. Các histone phải trải qua quá trình methyl hóa, phosphoryl hóa và uniquitin hóa để tạo điều kiện cho sự thay thế sắp đến. Một sự kiện quan trọng khác được ghi nhận là sự hyperacetyl hóa, tạo điều kiện cho quá trình tháo gỡ nucleosome và chuyển đổi giữa histone và protamine.

Song song với sự phân tách của các nucleohistone, DNA của tinh trùng tạo phức hợp với các protamine chuyển tiếp. Cuối cùng, các protamine chuyển tiếp này sẽ được thay thế bằng các P1 và P2 để tạo thành phức hợp nucleoprotamine rất nhỏ gọn. Sau khi liên kết với phân tử DNA, các protamine bắt đầu hình thành liên kết disulphide giúp phức hợp nucleoprotamine đạt mức ổn định cao nhất.

Tuy nhiên, không phải tất cả các histone trong nhân tinh trùng đều được chuyển đổi thành protamine, tại một số vị trí các cấu trúc nucleosome vẫn được giữ nguyên. Từ những nghiên cứu trong nhiều thập kỷ qua đã chứng minh rằng có khoảng 85-90% protamine liên kết với DNA và 10-15% còn lại liên quan đến histone ban đầu và các protein khác (3). Các cấu trúc được giữ lại liên quan đến vấn đề “epigenetics” trong giao tử đực và có thể là một trong các tác nhân kích hoạt noãn, ảnh hưởng đến các giai đoạn của sự phát triển phôi thai.

Sau khi thụ tinh, bộ gen tinh trùng đang ở trạng thái gấp cuộn chặt chẽ phải được bắt đầu được giải mã để hoạt hóa các gen cần thiết cho quá trình thụ tinh và phát triển của phôi. Một trong những yêu cầu biến đổi đầu tiên là giảm các liên kết disulphide để có thể loại bỏ protamine và tổ chức lại DNA theo cấu trúc nucleosome như ở tế bào soma. Trên P1 và P2 có những vùng góp vai trò vào quá trình nhận diện của các enzyme từ noãn giúp quá trình giải nén nhiễm sắc thể và tái thiết lập hoạt động của gen sau thụ tinh.

Ảnh hưởng của bất thường protamine đến chất lượng tinh trùng và kết quả thụ tinh trong ống nghiệm
Chất lượng tinh trùng
Sự kiện thay thế histone bằng protamine là quá trình phức tạp và đóng vai trò quan trọng. Chính nhờ sự liên kết disulphide liên phân tử và nội phân tử trong protamine của tinh trùng giúp đóng gói nhiễm sắc chất chặt chẽ và ảnh hưởng đến hình thái tinh trùng, giúp tinh trùng trưởng thành sau khi biệt hoá. Một số bất thường trong hàm lượng protamine trong tinh trùng người ảnh hưởng đến sự trưởng thành của tinh trùng, làm giảm chất lượng tinh dịch, khả năng di động và mật độ tinh trùng (4). Một trong những ảnh hưởng nghiêm trọng mà sự bất thường protamine ở tinh trùng gây ra là tổn thương DNA. Vai trò chính của protamine là bảo vệ bộ gen ở nhân tinh trùng, nếu xảy ra thiếu hụt protamine dẫn đến nhiễm sắc thể không được nén chặt hoàn toàn khiến DNA dễ bị tấn công bởi các tác nhân nội và ngoại sinh như các gốc tự do, các đột biến hay các nuclease trong cơ thể. Trong nhiều nghiên cứu đã cho thấy mối tương quan thuận giữa sự thiếu hụt protamine và tổn thương DNA của tinh trùng (5,6). Tỷ lệ P1/P2 cũng cho thấy mối liên hệ với sự phân mảnh DNA, cụ thể, tỷ lệ P1/P2 được tìm thấy cao hơn đáng kể ở nhóm bệnh nhân tinh trùng có phân mảnh DNA (p = .001) (7). Tính toàn vẹn DNA trong tinh dịch có liên quan chặt chẽ đến sự thiếu hụt protamine, do đó đã mở ra hướng nghiên cứu mới sử dụng tỷ lệ P1/P2 làm dấu ấn sinh học để đánh giá mức độ tổn thương DNA. Điều này đặc biệt có ý nghĩa trong việc dự đoán kết quả hỗ trợ sinh sản ở những cặp vợ chồng vô sinh.
 
Kết quả thụ tinh trong ống nghiệm
Một số nghiên cứu đã chỉ ra các mối liên hệ tiêu cực giữa protamine bất thường và kết quả hỗ trợ sinh sản. Một nghiên cứu của Sakkas và cộng sự đã chỉ ra rằng giảm tỷ lệ thụ tinh sau điều trị IVF có liên quan đến giảm tỷ lệ P1/P2 và hàm lượng protamine bất thường dẫn đến sự thụ tinh thất bại (8). Bằng chứng đầu tiên cho thấy biểu hiện thay đổi của protamine có thể liên quan đến khả năng IVF xuất phát từ so sánh tỷ lệ P1 / P2 ở hai nhóm bệnh nhân vô sinh được phân loại dựa trên chỉ số thụ tinh (FI), trên hoặc dưới 50%. Báo cáo từ nghiên cứu cho thấy tỷ lệ P1/P2 trong khoảng 0,55 đến 1,29 ở nhóm có chỉ số FI bình thường, trong khi ba bệnh nhân vô sinh có FI dưới 50% có tỷ lệ nằm ngoài phạm vi này. Bên cạnh đó, một nghiên cứu khác đã cho thấy nhóm bệnh nhân không có protamine P2 đã làm giảm đáng kể khả năng thâm nhập của tinh trùng vào tế bào noãn so với các bệnh nhân có protamine P2 bình thường (9). Ngoài ra tỷ lệ P1/P2 bất thường có liên quan đến tỷ lệ thụ tinh thấp và chất lượng phôi kém hơn (10). Hiện nay, mối liên hệ nào giữa protamine và tỷ lệ mang thai sau khi điều trị hỗ trợ sinh sản hay không vẫn còn là vấn đề gây nhiều tranh cãi. Một số nghiên cứu báo cáo tỷ lệ có thai tự nhiên giảm đáng kể ở những bệnh nhân có tỷ lệ P1/P2 thấp hoặc cao bất thường và tỷ lệ mang thai cải thiện sau khi điều trị IVF hoặc ICSI. Tuy nhiên, một số nghiên cứu khác lại cho rằng không có bất kì mối liên hệ nào giữa protamine và tỷ lệ có thai (10). Cần có nhiều hơn nữa những nghiên cứu về mối tương quan này
 
KẾT LUẬN
Thông qua những nghiên cứu được thực hiện từ trước đến nay, rõ ràng sự hiện diện của protamine và tỷ lệ thành phần P1/P2 có liên quan đến khả năng sinh sản của nam giới. Các mẫu tinh dịch bất thường về protamine thường dẫn đến các bất thường về hình dạng, độ di động tinh trùng và sự phân mảnh DNA tăng cao dẫn đến giảm khả năng sinh sản. Sự biểu hiện bất thường này có thể là dấu hiệu của một quá trình sinh tinh không hoàn chỉnh hoặc do nguyên nhân tác động từ bên ngoài mà cho đến nay vẫn chưa tìm hiểu rõ. Những nghiên cứu sâu hơn về các bất thường protamine và quá trình protamine hóa sẽ mở ra nhiều triển vọng cho hỗ trợ sinh sản đối với các bệnh nhân vô sinh nam.
 
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.         Dahm R. Friedrich Miescher and the discovery of DNA. Dev Biol. 15 Feb 2005;278(2):274–88.
2.         Dehghanpour F, Tabibnejad N, Fesahat F, Yazdinejad F, Talebi AR. Evaluation of sperm protamine deficiency and apoptosis in infertile men with idiopathic teratozoospermia. Clin Exp Reprod Med. Jun 2017;44(2):73–8.
3.         Colaco S, Sakkas D. Paternal factors contributing to embryo quality. J Assist Reprod Genet. Nov 2018;35(11):1953–68.
4.         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. 1 Oct 2020;18(4):137–43.
5.         Ni K, Spiess AN, Schuppe HC, Steger K. The impact of sperm protamine deficiency and sperm DNA damage on human male fertility: a systematic review and meta-analysis. Andrology. 2016;4(5):789–99.
6.         Hamilton TR dos S, Assumpção MEOD. Sperm DNA fragmentation: causes and identification. Zygote. Feb 2020;28(1):1–8.
7.         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.
8.         Sakkas D, Urner F, Bianchi PG, Bizzaro D, Wagner I, Jaquenoud N, và c.s. Sperm chromatin anomalies can influence decondensation after intracytoplasmic sperm injection. Hum Reprod. 1 Apr 1996;11(4):837–43.
9.         Oliva R. Protamines and male infertility. Hum Reprod Update. 1 Aug 2006;12(4):417–35.
10.       Simon L, Castillo J, Oliva R, Lewis SEM. Relationships between human sperm protamines, DNA damage and assisted reproduction outcomes. Reprod Biomed Online. 1 Dec 2011;23(6):724–34.
           
 

Từ khóa: Quá trình protamine hóa và sự ảnh hưởng đến chất lượng tinh trùng