Человеческая сперма оказалась лишена митохондриальной ДНК

Американские и испанские исследователи предложили новое объяснение того, почему люди наследуют только митохондрии только от матери. По их данным, митохондриальная ДНК отсутствует в сперматозоидах из-за переадресации ключевого фактора ее транскрипции в процессе сперматогенеза. Отчет о работе опубликован в журнале Nature Genetics.

Потомство наследует митохондрии и митохондриальную ДНК (мтДНК) от одного родителя практически у всех эукариот. При этом у многих видов, включая людей, митохондрии сперматозоидов попадают в яйцеклетку в процессе оплодотворения. До сих пор считалось, что наследованию отцовской мтДНК препятствует ее быстрая элиминация в яйцеклетке путем убиквитинирования или митофагии, однако причины этого оставались неизвестными.

В существующих исследованиях наблюдается значительная вариабельность оценок количества копий мтДНК в сперматозоидах — от 1 до 1000 геномов на клетку. Чтобы уточнить его, сотрудники Университета Томаса Джефферсона, Барселонского института биомедицинских исследований (IIBB-CSIC-IDIBAPS/CIBERNED), Орегонского университета здоровья и науки и Вистаровского института под руководством Дмитрия Темякова (Dmitry Temiakov) воспользовались капельной цифровой полимеразной цепной реакции (кцПЦР). Эта методика позволяет с высокой точностью определить абсолютное число молекул ядерной и митохондриальной ДНК в одной и той же клетке.

По данным амплификации путем кцПЦР генов TBP1 и TEFM, которые содержатся в ядерной ДНК в виде единичных копий, а также CYTB и ND1 из мтДНК, среднее количество мтДНК в сперматозоиде составило 0,58 копии. Это согласовалось с числом 0,14 копии, полученным при полногеномном секвенировании ДНК сперматозоидов, и результатами дополнительных уточняющих исследований. Поскольку каждая клетка спермы содержит 50–70 митохондрий, это дает менее 0,01 молекулы мтДНК на митохондрию. Авторы работы связывают такое следовое ее количество с возможным присутствием в образцах единичных лейкоцитов, в каждом из которых может присутствовать до 100 молекул мтДНК.

Гибридизация ткани человеческого яичка in situ показала, что мтДНК присутствует в стволовых клетках сперматогенеза (сперматогониях), непостоянно определяется в сперматоцитах первого порядка и совсем не определяется в зрелых сперматозоидах. В сумме с результатами кцПЦР это дало исследователям заключить, что сперматозоиды человека мтДНК не содержат.

Анализ основных белков, связанных с транскрипцией и репликацией мтДНК показал, что в зрелых сперматозоидах отсутствуют митохондриальная РНК-полимераза (mtRNAP, или POLRMT), каталитическая субъединица ДНК-полимеразы Polγ и транскрипционный фактор элонгации (TEFM). Таким образом, митохондрии этих клеток не в состоянии поддерживать и реплицировать мтДНК, а также синтезировать на ее матрице РНК.

В процессе анализа белков в сперматозоидах обезьяны и человека авторы работы обнаружили в неожиданно большое количество митохондриального транскрипционного фактора А (TFAM). При этом в результате альтернативного сплайсинга матричной РНК этого белка он синтезируется в виде полноразмерного прекурсора с аминокислотными остатками 1–246. Он не утрачивает митохондриальную таргетную последовательность (MTS, остатки 1–42), а значит, не подвергается процессингу в митохондриях, удаляющему ее. В других клетках организма такой формы TFAM нет.

По данным конфокальной микроскопии и жидкостной хроматографии/масс-спектрометрии, не подвергшаяся процессингу изоформа TFAM содержится только в головке сперматозоида, но не в его средней части, содержащей митохондрии. Поскольку TFAM абсолютно необходим для поддержания, репликации и трансляции мтДНК, его отсутствие в митохондриях сперматозоидов объясняет, почему эти клетки не содержат мтДНК. Дополнительные эксперименты показали, что в полноразмерном TFAM, образованном в сперматоцитах в результате альтернативного сплайсинга его мРНК, MTS подвергается фосфорилированию. Это препятствует перемещению TFAM в митохондрии, и этот фактор транскрипции накапливается в ядре клетки, в результате чего мтДНК элиминируется.

Таким образом, механизм ненаследования отцовской мтДНК срабатывает еще до оплодотворения и связан с зависимым от фосфорилирования перемещением TFAM в ядро клетки в процессе сперматогенеза. Полученные результаты указывают на то, что характерная для спермы изоформа TFAM может служить биомаркером некоторых форм мужского бесплодия, пригодным для использования в клинической практике, заключают авторы работы.

В 2016 году исследователи из Гонконга, США, Тайваня и Японии опубликовали объяснение механизма элиминации мтДНК у круглого червя Caenorhabditis elegans. Как сейчас выяснилось, он отличается от человеческого — за него отвечает митохондриальная эндонуклеаза CPS-6, которая разрушает мтДНК уже в оплодотворенной яйцеклетке.