CNSH. Trần Nhật Ánh Dương - Bệnh viện Mỹ Đức

Giới thiệu
Noãn, tế bào lớn nhất trong cơ thể, chứa hầu hết các bộ máy sinh học để bắt đầu sự sống. Việc xác định chất lượng noãn vẫn là mục tiêu chính của khoa học sinh sản. mRNA hoạt động như các gen di chuyển từ nhân đến tế bào chất, nơi chúng sẽ được dịch mã thành một loạt axit amin để sau đó tạo thành protein. Do đó, sự biểu hiện protein có liên quan đến số lượng mRNA, được điều hòa bởi sự cân bằng của tốc độ phiên mã và phân huỷ. Trong những năm gần đây, việc sử dụng công nghệ giải trình tự RNA đơn bào (scRNA-seq) đã góp phần vào các nghiên cứu về sự phiên mã ở noãn. Mục tiêu của bài tổng quan hệ thống này nhằm xác định sự khác biệt về số lượng bản phiên mã trong tế bào noãn ở người có thể liên quan đến nhân khẩu học của bệnh nhân và quyết định đến chất lượng noãn.

1. Sự điều hoà chu kỳ tế bào

Sự trưởng thành của noãn là một quá trình không liên tục bao gồm hai lần nghỉ (prophase I và metaphase II) cùng với những thay đổi ở cấp độ tế bào chất. Việc vượt qua giai đoạn nghỉ và tiếp tục chu kỳ tế bào được điều phối bởi các yếu tố tế bào chất. Trong đó, nồng độ cao của cAMP là điều cần thiết để giữ cho chu trình được dừng lại. Phức hợp Cdk-cyclin (MPF) thúc đẩy chu kỳ tế bào tiếp tục khi mức cAMP giảm, thông qua việc đóng xoắn nhiễm sắc thể (NST) và phá vỡ màng nhân.
Trong quá trình trưởng thành từ GV lên MII, sự biểu hiện của CDC25, AURKC và các bản phiên mã liên quan đến sửa chữa DNA như BRCA1, ATR và ATM tăng lên rõ rệt. Ngoài ra, sự biểu hiện quá mức của DPYD (một enzyme phụ thuộc NADP+, có vai trò sửa chữa các đứt gãy chuỗi DNA) đã được báo cáo trong các nghiên cứu in vitro (IVM), chứng minh noãn có cơ chế sửa sai để giảm thiểu sự thất bại trong quá trình trưởng thành. Sự biểu hiện quá mức của các bản phiên mã CDC34, UBA1 và UBE2C ở những bệnh nhân lớn tuổi, cũng như sự giảm biểu hiện của gen SKP1, có liên quan đến con đường “phân giải protein qua trung gian Ubiquitin”. Các tác giả giải thích rằng nồng độ UBE2C tăng cao dẫn đến việc kích hoạt sớm gen APC và phân bào, do đó làm gián đoạn chu kỳ tế bào.
Khi phân tích noãn MII ở bệnh nhân lạc nội mạc tử cung, người ta thấy rằng sự biểu hiện gen của DUSP1, WEE1 cùng với gen gây viêm CXCL2 được điều hoà tăng rõ rệt. Cùng với đó, các gen ID4 , G0S2 và CYP26A1 được xem như dấu hiệu đánh giá sự trưởng thành ở noãn và nhóm gen TWIST1 , ID3 , GAS và TXNIP bị ức chế phiên mã.
Trường hợp AFC thấp, nhận thấy có sự tăng biểu hiện của enzyme cắt đứt vi ống (Fidgetin, FIGN), có thể là dấu hiệu đánh giá chất lượng phát triển và có thể liên quan đến tình trạng lệch bội ở noãn. Khi phân tích các gen liên quan đến tuổi tác ở noãn MII cho thấy xu hướng biểu hiện giảm không đáng kể của các gen thuộc con đường cohesin ( ESCO1, ESCO2, ESPL1, MAU2, SMC1A, SMC1B và STAG3 ) trong nhóm ≥  35 tuổi. Ngoài ra, người ta còn nhận thấy REEP4 (mã hóa protein liên kết với vi ống) bị điều hoà giảm biểu hiện ở những bệnh nhân lớn tuổi, điều này có thể gây ra sự phân chia sai NST và ảnh hưởng đến màng nhân.
Gen ECAT1, mã hoá cho một tiểu đơn vị của phức hợp hạt vỏ, sự biểu hiện của nó có thể đáp ứng với những thay đổi về trao đổi chất và gây ra các bất thường ở thoi vô sắc. Người ta nhận thấy chức năng của ECAT1 như một chất điều chỉnh chu kỳ tế bào, mô hình bất hoạt ECAT1 dẫn đến tỷ lệ thoi vô sắc bất thường cao. Ngoài ra, còn có các gen  PTTG1 và TUBB8  được tăng biểu hiện ở noãn MII so với các giai đoạn chưa trưởng thành, có liên quan đến sự phân chia nhiễm sắc thể và quá trình trưởng thành noãn.
Quá trình polyadenylation tế bào chất đóng một vai trò quan trọng trong việc kiểm soát sự ổn định và dịch mã của các mRNA. Trong một nghiên cứu, gen SON được xác định là một nhân tố kiểm soát tiềm năng, chịu trách nhiệm mã hóa protein gắn với RNA nhằm thúc đẩy quá trình ghép nối tiền mRNA sau khi cắt intron ghép exon. Ngoài ra, nghiên cứu còn nhận thấy sự giảm mức độ mRNA CPEB2 khi lão hóa có thể liên quan đến việc giảm chất lượng noãn trưởng thành, dẫn đến giảm sản xuất protein.

2. Sự chuyển hoá năng lượng tế bào

Giống như bất kỳ loại tế bào khác, noãn đòi hỏi các chuỗi phản ứng sinh hóa phức tạp được kiểm soát để duy trì sự sống và khả năng tồn tại. Ty thể là nơi chính để tạo ra năng lượng (ATP) trong tế bào vì một số lượng lớn enzyme tham gia vào các con đường trao đổi chất khác nhau được chứa trong chất nền của chúng. Ngoài ra, các tế bào cumulus cùng với cầu nối liên bào có chức năng hỗ trợ cung cấp chất dinh dưỡng cho noãn.
Liên quan đến chức năng và hoạt động ty thể của noãn, người ta nhận thấy mức độ biểu hiện gen TFAM, NRF1 và MT-CO1 ngày càng tăng trong suốt quá trình trưởng thành từ GV, MI và MII. Các gen NRF1 và TFAM điều chỉnh số lượng bản sao DNA ty thể (mtDNA) giúp cung cấp năng lượng cần thiết để duy trì cân bằng nội môi và điều hoà sự sống. Ngoài ra, gen ATPase6 được cho là dấu hiệu của sự trưởng thành vì mức độ phiên mã của nó ở noãn MII cao hơn so với noãn chưa trưởng thành. Sử dụng qPCR, người ta nhận thấy ở noãn chưa trưởng thành, biểu hiện ACAT1 và HADHA giảm đáng kể, trong khi biểu hiện DPYD cao. Các gen ACAT1 và HADHA có chung tám con đường trao đổi chất và sự biểu hiện thiếu hụt của chúng dẫn đến tắc nghẽn sản xuất acetyl-CoA và succinate, dẫn đến giảm quá trình chuyển hóa năng lượng. Môi trường trao đổi chất bất thường này cũng được cho là không chỉ làm suy giảm quá trình sản xuất ATP mà còn làm giảm tín hiệu canxi. Bên cạnh đó, các gen liên quan đến ty thể như COX6B1, COX8A, COX4l1 và NDUFB9 đã được chứng minh là biểu hiện cao ở noãn MII. Các thụ thể trên bề mặt tế bào như thụ thể kết hợp G-protein (GPCR) đóng vai trò then chốt trong quá trình trao đổi chất vì chúng xúc tác cho quá trình tổng hợp cAMP từ các phân tử ATP. Những GPCR này đã được chứng minh là nhạy cảm với tuổi tác trong tế bào noãn ở người.
Ngoài ra, lipid cũng góp phần cung cấp nguồn dự trữ năng lượng cho noãn. Ở những bệnh nhân lạc nội mạc tử cung thấy có sự tăng biểu hiện của gen apolipoprotein E ( APOE) đóng vai trò trong chuyển hóa lipoprotein và vận chuyển lipid. Sự biểu hiện quá mức của APOE có thể dẫn đến tăng chuyển hóa lipid dẫn đến tăng stress oxy hóa. Nghiên cứu còn nhận thấy có sự điều hoà tăng của G0S2 (protein ty thể thúc đẩy quá trình apoptosis) và ID4 (liên quan đến giảm sự tăng sinh tế bào). Một nghiên cứu khác cũng đã ghi nhận được sự giảm biểu hiện GPX1 và PRDX1 ở các noãn GV khi tuổi càng cao, chúng đóng vai trò quan trọng trong việc chống lại tổn thương oxy hóa.

3. Thụ tinh

Trong quá trình thụ tinh, sự dung hợp màng sẽ kích hoạt những thay đổi phân tử bằng cách sử dụng canxi làm chất dẫn truyền tín hiệu, giúp noãn vượt qua giai đoạn nghỉ và tiếp tục giảm phân. Khi phân tích biểu hiện mRNA của gen ZP ( ZP1-4 ) ở noãn, nhận thấy có sự giảm đáng kể ZP 1, 2 và 4 cùng với sự giảm không đáng kể của ZP3 từ giai đoạn GV đến giai đoạn MII. ANXA5 mã hóa một loại protein tương tác với protein kinase C, một chất điều hòa chính của các sự kiện thụ tinh. Sự biểu hiện gia tăng của gen PRRG1, mã hoá protein liên kết ion canxi, được tìm thấy ở phụ nữ lớn tuổi, điều này có thể làm giảm khả năng thụ tinh. Do có liên quan đến phức hợp hạt-vỏ, mức độ biểu hiện ECAT1 có thể xác định được khả năng thụ tinh của noãn, khi gen ECAT1 bị bất hoạt sự hình thành tiền nhân giảm rõ rệt.

4. Sự phát triển phôi

Quá trình chuyển đổi từ noãn sang phôi là một kiệt tác của tự nhiên liên quan đến sự kết hợp của các giao tử, sự kết hợp vật chất di truyền, sự phân chia, phản ứng tổng hợp tế bào, biệt hóa tế bào, mở rộng và thoát màng mà đỉnh điểm là kích hoạt bộ gen phôi. Các cơ quan điều phối quá trình này ở người vẫn chưa được hiểu rõ. Do có vai trò trong việc lắp ráp và duy trì thoi vô sắc, sự giảm biểu hiện của các gen như ECAT1 dẫn đến tỷ lệ phân chia giảm (sự phân chia bất thường) dẫn đến phôi không phát triển được. Bên cạnh đó, protein PLAC8 (chỉ hiện diện từ giai đoạn phôi dâu về sau) có liên quan đến quá trình nở rộng của phôi nang, đây được xem là dấu ấn sinh học về tiềm năng làm tổ vì khi nồng độ protein PLAC8 giảm hoặc không hiện diện sẽ ảnh hưởng tiêu cực lên khả năng làm tổ của phôi.

Kết luận
Nhìn vào bản phiên mã, người ta xác định giai đoạn trưởng thành là yếu tố chính quyết định chất lượng noãn với gần 6.000 gen khác nhau được biểu hiện trong suốt quá trình trưởng thành. Mặc dù sự hiện diện của một số bản phiên mã có thể xảy ra một cách tự nhiên do sự tiến triển và ngừng chu kỳ tế bào, nhưng một số khác đã được chứng minh là dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài như độ tuổi, béo phì hoặc các tình trạng bệnh lý khác (lạc nội mạc tử cung, buồng trứng đa nang). Tổng quan hiện tại nhấn mạnh chất lượng noãn bị chi phối bởi nhiều quá trình khác nhau như sự phát triển của chu kỳ tế bào, chuyển hóa năng lượng và kích hoạt phiên mã,...
 
Nguồn: Gonzalez, X. V., Almutlaq, A., & Gupta, S. S. (2023). Systematic review of mRNA expression in human oocytes: understanding the molecular mechanisms underlying oocyte competence. Journal of Assisted Reproduction and Genetics, 40(10), 2283-2295.

Từ khóa: Noãn người, chuyển hoá, chất lượng noãn, mRNA