1. Sự biểu hiện gene trong noãn người
   
   Sơ lược về sự biểu hiện gene trong noãn người

Trong khi các nghiên cứu trên mô hình động vật đã cung cấp rất nhiều thông tin về sự biểu hiện gene ở noãn, các nghiên cứu này trên người còn khá hạn chế do vấp phải các vấn đề về mặt y đức. Do đó, các thông tin về biểu hiện gene của từng gene đơn lẻ cũng như các kiểu hình biểu hiện của chúng theo từng giai đoạn phát triển của nang noãn vẫn chưa được sáng tỏ.

Nhiều thí nghiệm trên mô hình động vật cho thấy rằng các gene liên quan đến việc hình thành màng trong suốt được tổng hợp và sử dụng suốt vòng đời của noãn ^{[30, 39]} trong khi các gene quan trọng cho tiềm năng phát triển của noãn chỉ được phiên mã trong pha tăng trưởng của nang noãn và sau đó chỉ được dịch mã theo từng giai đoạn cần thiết cho quá trình sử dụng trong suốt quá trình phát triển của noãn ^[45]. Một số noãn ở người không thể hoàn tất pha tăng trưởng hoặc tăng trưởng trong môi trường độc hại có thể ảnh hưởng đến quá trình tích lũy và điều hòa các sản phẩm phiên mã cần thiết cho sự phát triển của noãn sau này, khiến cho chúng phát triển chậm hơn hoặc không thể hoàn tất các tiến trình phát triển từ lúc thụ tinh cho đến giai đoạn phôi tiền làm tổ ^[19].

Nghiên cứu của Neilson và cộng sự (2000) trên noãn GV cho thấy nếu phát triển đầy đủ thì một noãn người ở giai đoạn GV sẽ có trung bình 100pg poly(A) mRNA ^[29]. Ngày càng nhiều các nghiên cứu ứng dụng các kĩ thuật sinh học phân tử như RT-PCR (realtime polymerase chain reaction) ^{[33, 34, 41]}, SAGE (serial expression gene analysis) ^[29], cũng như tạo ra thư viện cDNA cho phép giải trình tự các sản phẩm phân tích SAGE nhằm cung cấp thêm nhiều thông tin về các cơ chế biểu hiện gene ở noãn người. Điều thú vị là trong quá trình giải trình tự và phân tích các thư viện cDNA nói trên, các nghiên cứu phát hiện sự hiện diện của các yếu tố retrotransposon (các yếu tố chuyển vị, được biết đến tên thông dụng hơn là “gene nhảy”, có cấu trúc tương đồng với yếu tố chuyển vị có nguồn gốc từ các retrovirus) với mức biểu hiện các yếu tố này khá cao trong noãn người ^{[14, 32]}.

Kỹ thuật microarray được áp dụng lần đầu tiên trong nghiên cứu biểu hiện gene ở noãn người vào năm 2004, cho phép chúng ta khai thác các thông tin tổng quát hoạt động biểu hiện gene cũng như định lượng các sản phẩm phiên mã ở từng giai đoạn phát triển nhất định ^[4]. Một số nghiên cứu khác nghiên cứu thông tin về hoạt động phiên mã thực hiện trên noãn thất bại thụ tinh nuôi cấy in vitro, tuy nhiên, những thông tin biểu hiện gene ở các noãn này không thể dùng đại diện cho thông tin biểu hiện gene ở noãn MII bình thường thu nhận từ chọc hút (trưởng thành in vivo) ^{[1, 4, 5, 11]}.
Các gene TMEFF2, ATPase6 và OPHNI có mức độ biểu hiện cao đáng kể ở noãn thu nhận từ các nang nguyên thủy và nang sơ cấp so với noãn trưởng thành. Gene TMEFF2 mã hóa cho EGF-like và follistatin-like domain, đóng vai trò quan trọng trong sự sinh noãn sớm ^[27]; các đột biến trên gene ATPase6 được xác nhận có mối liên quan đến hội chứng suy buồng trứng sớm POI ^[38]; trong khi gene OPHNI chưa từng được chứng minh trước đó về mối liên quan đến khả năng sinh sản ở phụ nữ ^[27].

Nhìn chung, các nghiên cứu về thông tin biểu hiện gene của noãn vẫn chưa thực sự phản ánh được toàn bộ bức tranh cũng như chưa phản ánh thật sự bản chất biểu hiện gene của một noãn bình thường, đầy đủ tiềm năng phát triển do các nghiên cứu chỉ thực hiện trên những mẫu sinh phẩm như noãn chưa trưởng thành, phôi tiền làm tổ ^{[5, 25, 44]}, tế bào cumulus ^[1], mô sinh dưỡng, tế bào gốc phôi ^{[21, 43]},… có độ tương quan rất thấp với thông tin di truyền thật sự ở noãn.
 

Noãn trưởng thành in vitro và in vivo

Jones và cộng sự (2008) nghiên cứu thông tin biểu hiện gene trên noãn MII thu nhận từ chọc hút (trưởng thành in vivo) và noãn MII nuôi cấy in vitro từ noãn GV cho thấy có sự khác biệt rõ rệt về thông tin biểu hiện gene giữa hai nhóm noãn nói trên và sự khác biệt này cũng liên quan đến tiềm năng phát triển của noãn. Hơn nữa, trong nghiên cứu này, hơn 2000 gene ở noãn trưởng thành in vitro được xác định có sự tăng biểu hiện cao hơn gấp 2 lần so với noãn trưởng thành in vivo, trong đó có 162 gene biểu hiện cao hơn ít nhất 10 lần và sự trưởng thành in vitro dường như làm giảm đi tiềm năng phát triển của noãn đáng kể so với các noãn trưởng thành in vivo ^[19]. Nghiên cứu của Zheng và cộng sự trên các loài linh trưởng cũng đưa ra giả thuyết tương tự ^[45].

Noãn và những tế bào xung quanh đã được chứng minh có mối liên hệ trao đổi qua lại (“crosstalk”) trong suốt quá trình phát triển ^[46]. Bên cạnh đó, nhiều nghiên cứu cho thấy các RNA điều hòa làm im lặng gene có kích thước nhỏ, gọi chung là ssRNA, gồm siRNA (small interfering RNA), piRNA (Piwi-interacting RNA) và miRNA (micro RNA) cũng góp phần bất hoạt các sản phẩm phiên mã có nguồn gốc từ mẹ ^{[35, 40, 46]}và một số ssRNA có thể được cung cấp cho noãn thông qua liên kết gap junction giữa noãn và tế bào cumulus ^[20].
 
Noãn thất bại thụ tinh

Như chúng ta đã biết, tiềm năng trưởng thành và phát triển của noãn được quy định bởi các thông tin di truyền từ mẹ tích lũy trước khi noãn khởi phát quá trình trưởng thành. Gasca và cộng sự đã dùng microarray so sánh thông tin biểu hiện gene ở noãn thất bại thụ tinh hoàn toàn (cả IVF cổ điển và ICSI) và noãn thụ tinh bình thường (nhóm chứng) từ những bệnh nhân có chất lượng tinh trùng bình thường và có số noãn thụ tinh trên 60% và cho thấy các noãn thất bại thụ tinh có lượng RNA cao hơn và có số lượng gene biểu hiện bất thường (chủ yếu là giảm biểu hiện) nhiều hơn so với các noãn thuộc nhóm chứng. Đặc biệt là hơn 1000 gene không biểu hiện ở noãn thuộc nhóm chứng, chỉ biểu hiện ở noãn thất bại thụ tinh và sự biểu hiện này tương tự ở noãn người chưa trưởng thành. Ngoài ra, nghiên cứu cũng xác nhận noãn thất bại thụ tinh mang một số sản phẩm biểu hiện bất thường ảnh hưởng đến khả năng hoàn tất quá trình trưởng thành cũng như khả năng hoạt hóa noãn MII ^[12].

Hội chứng buồng trứng đa nang PCOS (Polycystic ovary syndrome)

Hội chứng buồng trứng đa nang PCOS là một hội chứng do các bất thường nội tiết hoặc điều kiện biến dưỡng gây nên và được xác định bởi các đặc điểm như không có hiện tượng phóng noãn, tăng nồng độ androgen trong máu ngoại vi và thường có biểu hiện kháng insulin cũng như tăng lượng insulin và lượng glucose lưu thông trong máu. Câu hỏi được đặt ra trong một thời gian dài rằng liệu những bất ổn về nội tiết ở các bệnh nhân PCOS có ảnh hưởng đến vi môi trường bên trong nang noãn cũng như đến chất lượng noãn hay không. Một nghiên cứu sử dụng microarray so sánh mức độ biểu hiện gene trên 9 noãn từ bệnh nhân PCOS và 10 noãn từ bệnh nhân phóng noãn bình thường. Trong số 8123 sản phẩm phiên mã được biểu hiện trong noãn MII, 374 gene có sự tăng biểu hiện đáng kể ở noãn từ bệnh nhân PCOS ^[42], đặc biệt là các gene liên quan đến điều hòa phiên mã trong quá trình giảm phân như gene BNC1 ^[36], điều hòa hoạt động của thoi vô sắc như gene FMN2 [23], điều hòa sự sắp xếp nhiễm sắc thể (NST) (ATRX, EME1, NBN), động học thoi vô sắc (ECT2, EML1, DIAPH2, FMN2) ^[42].
 
Theo thống kê của Kovalevsky (2005), hơn 80% phôi chuyển vào lòng tử cung trong các chu kì điều trị IVF thất bại làm tổ và 2/3 các chu kì điều trị không có trẻ sinh sống ^[22]. Có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến thất bại làm tổ nhưng một trong những nguyên nhân quan trọng nhất là các bất thường NST của phôi. Ở những bệnh nhân có tỉ lệ phôi lệch bội cao, thường tiềm năng phát triển của phôi cũng bị ảnh hưởng, điều này có thể giải thích cho thất bại làm tổ và tình trạng sẩy thai ở các bệnh nhân này. Một số nghiên cứu đã đưa ra một số bằng chứng về lệch bội trên đa số các ca sẩy thai ^{[16, 28]}và một nghiên cứu mù đã xác nhận sau đó rằng trong số các phôi chuyển cho bệnh nhân vẫn có một số phôi mang bất thường NST ^[31].

Nhiều bằng chứng cho thấy tình trạng lệch bội xảy ra do các lỗi trong quá trình tách rời chỉ ở một số nhiễm sắc tử trong giảm phân I có nguy cơ xảy ra cao gấp 10 lần so với trường hợp rối loạn phân chia trên toàn bộ NST ^{[6, 8, 10, 15]}. Mặt khác, một nghiên cứu cho thấy ở nhóm phụ nữ trẻ tuổi, các rối loạn ở lần phân chia đầu tiên trong chu trình giảm phân là nguồn gốc tạo ra noãn lệch bội; trong khi ở nhóm phụ nữ trên 40 tuổi, noãn lệch bội đa phần do các rối loạn ở giảm phân II gây ra ^{[6, 8]}. Một nghiên cứu trên noãn người trên một số tình nguyện viên thực hiện so sánh sự khác biệt giữa sản phẩm phiên mã của noãn bình thường và noãn lệch bội (tình trạng lệch bội được đánh giá qua thông tin di truyền của thể cực thứ nhất) cho thấy trên 30.000 sản phẩm phiên mã mang phân tích, đa phần các gene có mức độ biểu hiện như nhau ở noãn lệch bội và noãn bình thường. Chỉ có 327 gene cho thấy có sự khác biệt về số lượng sản phẩm phiên mã rõ rệt ở nhóm noãn lệch bội ^[7]. Trong số đó, sự tăng số lượng bản sao trên một số gene có vai trò quan trọng trong điều hòa khung xương tế bào, như gene ASPM ^[37], KIF2B (kinesin 2B) ^{[3, 26]}cũng đã được báo cáo. Bất thường trong biểu hiện ở những gene này dẫn đến rối loạn trong sản sinh các protein vận động và các tubulin, làm tăng nguy cơ lệch bội do rối loạn chức năng bình thường của hệ thống thoi vô sắc. Ngoài ra, các noãn lệch bội còn mang một số rối loạn trong cơ chế sản sinh năng lượng như sự giảm biểu hiện gene PDHB (pyruvate dehydrogenase lipoamide beta) làm giảm hoạt động biến dưỡng ti thể cũng như sinh tổng hợp ATP ^[17]; giảm biểu hiện gene PDHA1 (mã hóa cho một loại enzyme pyruvate dehydrogenase khác) cảm ứng các khiếm khuyết trong giảm phân: rối loạn đóng xoắn NST, di chuyển NST và tập kết các vi ống ^[18]; giảm biểu hiện gene PISD (phosphatidylserine decarboxylase) và AGPAT7 (1-acyl-glycerol-3-phosphate O-acyltransferase 7) ảnh hưởng chức năng ti thể ^[13].

Các tế bào cumulus có mối liên hệ chặt chẽ trong suốt quá trình phát triển của noãn, khoảng 700 gene được tìm thấy có sự biểu hiện khác biệt đáng kể giữa tế bào cumulus ở noãn lệch bội và noãn bình thường, trong đó một số gene bị giảm biểu hiện đã được chứng minh có ảnh hưởng đến khả năng đậu thai ^[2], một số gene khác liên quan đến các chu trình biến dưỡng, tình trạng thiếu hụt oxy ^[9], apoptosis ^[24]cũng như liên quan đến cơ chế thuỷ phân các protein, dẫn đến làm tăng nitric oxide tạo môi trường với nồng độ chất oxy hóa cao ^[24]cũng được ghi nhận trong nhiều nghiên cứu. Vậy thì, phải chăng các điều kiện không tối ưu trong vi môi trường nang noãn (hoạt động suy giảm của các cơ chế sản sinh năng lượng, thiếu hụt oxy) cũng góp phần làm tăng nguy cơ lệch bội?
 
 
TÀI LIỆU THAM KHẢO

1.         Assou, S., et al., The human cumulus--oocyte complex gene-expression profile. Hum Reprod, 2006. 21(7): p. 1705-19.
2.         Assou, S., et al., A non-invasive test for assessing embryo potential by gene expression profiles of human cumulus cells: a proof of concept study. Mol Hum Reprod, 2008. 14(12): p. 711-9.
3.         Bakhoum, S.F., et al., Genome stability is ensured by temporal control of kinetochore-microtubule dynamics. Nat Cell Biol, 2009. 11(1): p. 27-35.
4.         Bermudez, M.G., et al., Expression profiles of individual human oocytes using microarray technology. Reprod Biomed Online, 2004. 8(3): p. 325-37.
5.         Dobson, A.T., et al., The unique transcriptome through day 3 of human preimplantation development. Hum Mol Genet, 2004. 13(14): p. 1461-70.
6.         Fragouli, E., et al., The cytogenetics of polar bodies: insights into female meiosis and the diagnosis of aneuploidy. Mol Hum Reprod, 2011. 17(5): p. 286-95.
7.         Fragouli, E., et al., Transcriptomic profiling of human oocytes: association of meiotic aneuploidy and altered oocyte gene expression. Mol Hum Reprod, 2010. 16(8): p. 570-82.
8.         Fragouli, E., D. Wells, and J.D. Delhanty, Chromosome abnormalities in the human oocyte. Cytogenet Genome Res, 2011. 133(2-4): p. 107-18.
9.         Fragouli, E., et al., Alteration of gene expression in human cumulus cells as a potential indicator of oocyte aneuploidy. Hum Reprod, 2012. 27(8): p. 2559-68.
10.       Gabriel, A.S., et al., Array comparative genomic hybridisation on first polar bodies suggests that non-disjunction is not the predominant mechanism leading to aneuploidy in humans. J Med Genet, 2011. 48(7): p. 433-7.
11.       Gasca, S., et al., Identifying new human oocyte marker genes: a microarray approach. Reprod Biomed Online, 2007. 14(2): p. 175-83.
12.       Gasca, S., et al., Total fertilization failure and molecular abnormalities in metaphase II oocytes. Reprod Biomed Online, 2008. 17(6): p. 772-81.
13.       Gohil, V.M. and M.L. Greenberg, Mitochondrial membrane biogenesis: phospholipids and proteins go hand in hand. J Cell Biol, 2009. 184(4): p. 469-72.
14.       Goto, T., et al., Identification and characterisation of known and novel transcripts expressed during the final stages of human oocyte maturation. Mol Reprod Dev, 2002. 62(1): p. 13-28.
15.       Handyside, A.H., et al., Multiple meiotic errors caused by predivision of chromatids in women of advanced maternal age undergoing in vitro fertilisation. Eur J Hum Genet, 2012. 20(7): p. 742-7.
16.       Hassold, T., et al., A cytogenetic study of 1000 spontaneous abortions. Ann Hum Genet, 1980. 44(Pt 2): p. 151-78.
17.       Johnson, F. and M.G. Kaplitt, Novel mitochondrial substrates of omi indicate a new regulatory role in neurodegenerative disorders. PLoS One, 2009. 4(9): p. e7100.
18.       Johnson, M.T., et al., Oxidative metabolism of pyruvate is required for meiotic maturation of murine oocytes in vivo. Biol Reprod, 2007. 77(1): p. 2-8.
19.       Jones, G.M., et al., Gene expression profiling of human oocytes following in vivo or in vitro maturation. Hum Reprod, 2008. 23(5): p. 1138-44.
20.       Kizana, E., E. Cingolani, and E. Marban, Non-cell-autonomous effects of vector-expressed regulatory RNAs in mammalian heart cells. Gene Ther, 2009. 16(9): p. 1163-8.
21.       Kocabas, A.M., et al., The transcriptome of human oocytes. Proc Natl Acad Sci U S A, 2006. 103(38): p. 14027-32.
22.       Kovalevsky, G. and P. Patrizio, High rates of embryo wastage with use of assisted reproductive technology: a look at the trends between 1995 and 2001 in the United States. Fertil Steril, 2005. 84(2): p. 325-30.
23.       Leader, B., et al., Formin-2, polyploidy, hypofertility and positioning of the meiotic spindle in mouse oocytes. Nat Cell Biol, 2002. 4(12): p. 921-8.
24.       Lee, J.H., et al., The p53-inducible gene 3 (PIG3) contributes to early cellular response to DNA damage. Oncogene, 2010. 29(10): p. 1431-50.
25.       Li, S.S., et al., Analysis of gene expression in single human oocytes and preimplantation embryos. Biochem Biophys Res Commun, 2006. 340(1): p. 48-53.
26.       Manning, A.L., et al., The kinesin-13 proteins Kif2a, Kif2b, and Kif2c/MCAK have distinct roles during mitosis in human cells. Mol Biol Cell, 2007. 18(8): p. 2970-9.
27.       Markholt, S., et al., Global gene analysis of oocytes from early stages in human folliculogenesis shows high expression of novel genes in reproduction. Mol Hum Reprod, 2012. 18(2): p. 96-110.
28.       Menasha, J., et al., Incidence and spectrum of chromosome abnormalities in spontaneous abortions: new insights from a 12-year study. Genet Med, 2005. 7(4): p. 251-63.
29.       Neilson, L., et al., Molecular phenotype of the human oocyte by PCR-SAGE. Genomics, 2000. 63(1): p. 13-24.
30.       Roller, R.J., et al., Gene expression during mammalian oogenesis and early embryogenesis: quantification of three messenger RNAs abundant in fully grown mouse oocytes. Development, 1989. 106(2): p. 251-61.
31.       Scott, R.T., Jr., et al., Comprehensive chromosome screening is highly predictive of the reproductive potential of human embryos: a prospective, blinded, nonselection study. Fertil Steril, 2012. 97(4): p. 870-5.
32.       Serafica, M.D., T. Goto, and A.O. Trounson, Transcripts from a human primordial follicle cDNA library. Hum Reprod, 2005. 20(8): p. 2074-91.
33.       Steuerwald, N., et al., Analysis of gene expression in single oocytes and embryos by real-time rapid cycle fluorescence monitored RT-PCR. Mol Hum Reprod, 1999. 5(11): p. 1034-9.
34.       Steuerwald, N., et al., Quantification of mRNA in single oocytes and embryos by real-time rapid cycle fluorescence monitored RT-PCR. Mol Hum Reprod, 2000. 6(5): p. 448-53.
35.       Tam, O.H., et al., Pseudogene-derived small interfering RNAs regulate gene expression in mouse oocytes. Nature, 2008. 453(7194): p. 534-8.
36.       Tian, Q., et al., Function of basonuclin in increasing transcription of the ribosomal RNA genes during mouse oogenesis. Development, 2001. 128(3): p. 407-16.
37.       van der Voet, M., et al., NuMA-related LIN-5, ASPM-1, calmodulin and dynein promote meiotic spindle rotation independently of cortical LIN-5/GPR/Galpha. Nat Cell Biol, 2009. 11(3): p. 269-77.
38.       Venkatesh S, D.R., An evolutionary insight into mutation of ATPase6 gene in primary ovarian insufficiency. Arch Gynecol Obstet, 2011. 284: p. 251 - 252.
39.       Wassarman, P.M., Profile of a mammalian sperm receptor. Development, 1990. 108(1): p. 1-17.
40.       Watanabe T, I.H., Minami N, Identification and expression analysis of small RNAs during development. Methods Mol Biol, 2008. 442: p. 173 - 185.
41.       Wells, D., et al., Expression of genes regulating chromosome segregation, the cell cycle and apoptosis during human preimplantation development. Hum Reprod, 2005. 20(5): p. 1339-48.
42.       Wood, J.R., et al., Molecular abnormalities in oocytes from women with polycystic ovary syndrome revealed by microarray analysis. J Clin Endocrinol Metab, 2007. 92(2): p. 705-13.
43.       Zhang, P., et al., Distinct sets of developmentally regulated genes that are expressed by human oocytes and human embryonic stem cells. Fertil Steril, 2007. 87(3): p. 677-90.
44.       Zhang, P., et al., Transcriptome profiling of human pre-implantation development. PLoS One, 2009. 4(11): p. e7844.
45.       Zheng, P., et al., Effects of follicle size and oocyte maturation conditions on maternal messenger RNA regulation and gene expression in rhesus monkey oocytes and embryos. Biol Reprod, 2005. 72(4): p. 890-7.
46.       Zuccotti, M., et al., What does it take to make a developmentally competent mammalian egg? Hum Reprod Update, 2011. 17(4): p. 525-40.
 

Từ khóa: biểu hiện gene, noãn, cumulus, PCOS, thất bại thụ tinh