Μελέτη και ταυτοποίηση γενωμικών ανασυνδυασμών των μιτοχονδρίων και των τελομερών στα σπερματοζωάρια

Abstract

Prior research has substantiated the vital role of telomeres in human fertility. Telomeres are prerequisites for maintaining the integrity of chromosomes by preventing the loss of genetic material following replication events. Little is known about the association between sperm telomere length and mitochondrial capacity involving its structure and functions. Mitochondria are structurally and functionally distinct organelles that are located on the spermatozoon's midpiece. Mitochondria produce adenosine triphosphate (ATP) through oxidative phosphorylation (OXPHOS), which is necessary for sperm motility and generate reactive oxygen species (ROS). While a moderate concentration of ROS is critical for egg— sperm fusion, and fertilization, excessive ROS generation is primarily related to telomere shortening, sperm DNA fragmentation, and alterations in the methylation pattern leading to male infertility. Mitochondrial dysfunction is a risk factor in the pathogenesis of metabolic disorders. According to the energy requirements, oxidative phosphorylation and the electron transport chain work together to produce ATP in sufficient quantities in the mitochondria of eukaryotic cells. Abnormal mitochondrial activity causes fat accumulation and insulin resistance as cells require a balance between the production of ATP by oxidative phosphorylation (OXPHOS) in the mitochondria and the dissipation of the proton gradient to reduce damage from reactive oxygen species (ROS).Telomeres, the protective caps at the ends of chromosomes, play a major role in cellular aging and senescence, in contrast to BMI, which is commonly used as a measure of general health and obesity. Mitochondrial DNA is essential for the cellular synthesis of energy and has implications for age-related disorders. It has been determined that the telomere length (TL) in human spermatozoa is roughly 6–20 kb, longer than that in somatic cells. The arrangement of telomeres in sperm cells, specifically their location near the nuclear membrane or at the nuclear periphery, may have a purpose. This purpose is theorized to facilitate the oocyte's access to these regions during fertilization, potentially influencing the growth of pronuclei. Another explanation for the differential distribution of telomeres concerning infertile males could be that poor telomere positioning makes the oocyte less accessible, which could be the cause of infertility. Telomere distribution in this case may suggest infertility, but it may also be the cause of infertility rather than just a symptom in an infertile man. Given that telomeres are histone-bound and positioned near nuclear boundaries, it is hypothesized that this may have a functional effect on the process of fertilization. In the first phase, with the method of quantitative polymerase reaction (q-PCR) and the use of appropriate primer pairs, we determined the expression of the mitochondrial content in spermatozoa. Thus, it was determined that in men with a normal BMI, mitochondrial content is positively correlated with both BMI and progressive mobility. Also, in the same group the ratio of mitochondrial to nuclear DNA had a positive correlation with BMI. In overweight men, mitochondrial content did not show any correlation with BMI and progressive mobility. Finally, for the obese group of men, relative mitochondrial DNA copy number was found to be positively correlated with progressive motility. In a second phase, relative telomere length was determined using the quantitative polymerase chain reaction method and selection of appropriate primer pairs. It was shown, therefore, that in the group of obese men, the relative length of telomeres had a positive correlation with BMI. Evaluation of relative telomere length for the groups of men with normal and overweight BMI did not yield any statistically significant results. Telomerase seems, therefore, that in conditions of oxidative stress (obesity) it leaves the nucleus and enters the mitochondria to protect them. If oxidative stress persists, telomerase exits the mitochondria and enters the telomeres to protect them by lengthening them. This review aims to highlight the functional connection between mitochondria biogenesis and telomere length in male infertility, as mitochondrial lesions have a damaging impact on telomere length, leading both to telomere lengthening and reprogramming of mitochondrial biosynthesis. Furthermore, it aims to shed light on how both inositol and antioxidants can positively affect male fertility This study aims to explore the relationship between the mitochondrial content of sperm and the ratio of mitochondrial DNA to nuclear DNA in relation to body mass index (BMI) and how it may affect the progressive motility of sperm cell. Understanding the relationships between these important variables will help us better understand the possible mechanisms that could connect sperm motility and quality to BMI, as well as further our understanding of male fertility and reproductive health. This study aims to advance knowledge of the molecular mechanisms underlying BMI, the cofounding factors and the possible effects of lifestyle and metabolic factors on cellular health by exploring the interactions between these three variables. In contrast to the germline, where telomeres have generally been thought to stay constant within a species, higher animal somatic tissues have been shown to experience telomere shortening with age. A sign of youth and biological fitness has been thought to be longer telomeres in an individual's somatic tissues compared to other members of the same species. It was therefore surprising when several laboratories discovered that the sperm of older men had longer telomeres, which resulted in their children having leukocytes with higher TL. The examination of telomere and mitochondrial genomic recombinations in spermatozoa represents a cutting-edge area of research with profound implications for understanding reproductive biology and inheritance patterns. This study employs advanced molecular techniques to investigate the presence and nature of telomeric and mitochondrial genomic rearrangements within sperm cells. The research aims to elucidate the mechanisms underlying these recombinations and assess their potential impact on fertility, genetic diversity, and the transmission of mitochondrial DNA. The findings from this research contribute valuable insights into the fundamental processes shaping the genetic composition of sperm cells and shed light on the potential consequences for offspring health and development. Understanding the intricacies of telomere and mitochondrial genomic recombinations in spermatozoa holds promise for advancing reproductive medicine, informing assisted reproductive technologies, and addressing broader questions related to evolutionary biology and genetic inheritance.

Προηγούμενη έρευνα έχει τεκμηριώσει τον ζωτικό ρόλο των τελομερών στην ανθρώπινη γονιμότητα. Τα τελομερή αποτελούν προϋποθέσεις για τη διατήρηση της ακεραιότητας των χρωμοσωμάτων αποτρέποντας την απώλεια γενετικού υλικού μετά από γεγονότα αντιγραφής. Λίγα είναι γνωστά για τη συσχέτιση μεταξύ του μήκους των τελομερών του σπέρματος και της μιτοχονδριακής ικανότητας που περιλαμβάνει τη δομή και τις λειτουργίες του. Τα μιτοχόνδρια είναι δομικά και λειτουργικά διακριτά οργανίδια που βρίσκονται στο μεσαίο τμήμα του σπερματοζωαρίου. Κύριος ρόλος τους αποτελεί η παραγωγήτριφωσφορικής αδενοσίνης (ATP) μέσω της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης (OXPHOS), η οποία είναι απαραίτητη για την κινητικότητα του σπέρματος και τη δημιουργία αντιδραστικών ειδών οξυγόνου (ROS). Παρόλο που μια μέτρια συγκέντρωση ROS είναι κρίσιμη για τη σύντηξη και τη γονιμοποίηση ωαρίων-σπερματοζωαρίων, η υπερβολική παραγωγή ROS σχετίζεται, κυρίως, με τη βράχυνση των τελομερών, τον κατακερματισμό του DNA του σπέρματος και τις αλλαγές στο πρότυπο μεθυλίωσης που οδηγεί σε ανδρική υπογονιμότητα. Η μιτοχονδριακή δυσλειτουργία αποτελεί παράγοντα κινδύνου στην παθογένεση μεταβολικών διαταραχών. Σύμφωνα με τις ενεργειακές απαιτήσεις, η οξειδωτική φωσφορυλίωση και η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων συνεργάζονται για να παράγουν ATP σε επαρκείς ποσότητες στα μιτοχόνδρια των ευκαρυωτικών κυττάρων. Η μη φυσιολογική μιτοχονδριακή δραστηριότητα προκαλεί συσσώρευση λίπους και αντίσταση στην ινσουλίνη, καθώς τα κύτταρα απαιτούν μια ισορροπία μεταξύ της παραγωγής ATP με οξειδωτική φωσφορυλίωση (OXPHOS) στα μιτοχόνδρια και της διάχυσης της βαθμίδας πρωτονίων για τη μείωση της βλάβης από τα αντιδραστικά είδη οξυγόνου (ROS).Το μιτοχονδριακό DNA είναι απαραίτητο για την κυτταρική σύνθεση ενέργειας και έχει επιπτώσεις σε διαταραχές που σχετίζονται με την ηλικία. Τα τελομερή, τα προστατευτικά καλύμματα στα άκρα των χρωμοσωμάτων, παίζουν σημαντικό ρόλο στη γήρανση και τη γήρανση των κυττάρων, σε αντίθεση με το δείκτη μάζας σώματος, ο οποίος χρησιμοποιείται συνήθως ως μέτρο της γενικής υγείας και της παχυσαρκίας. Έχει προσδιοριστεί ότι το μήκος των τελομερών στα ανθρώπινα σπερματοζωάρια είναι περίπου 6-20kb, μεγαλύτερο από αυτό στα σωματικά κύτταρα. Η διάταξη των τελομερών στα σπερματοζωάρια, συγκεκριμένα η θέση τους κοντά στην πυρηνική μεμβράνη ή στην πυρηνική περιφέρεια, πιθανών εξυπηρετεί κάποιους σκοπούς. Αρχικά, ενδέχεται να διευκολύνει την πρόσβαση του ωαρίου σε αυτές τις περιοχές κατά τη διάρκεια της γονιμοποίησης, επηρεάζοντας δυνητικά την ανάπτυξη των προπυρήνων. Μια άλλη εξήγηση για τη διαφορική κατανομή των τελομερών σε σχέση με τα υπογόνιμα αρσενικά θα μπορούσε να είναι ότι η κακή θέση των τελομερών καθιστά το ωοκύτταρο λιγότερο προσβάσιμο, γεγονός που θα μπορούσε να είναι η αιτία της υπογονιμότητας. Η κατανομή των τελομερών σε αυτή την περίπτωση μπορεί να υποδηλώνει υπογονιμότητα, αλλά μπορεί επίσης να είναι η αιτία της υπογονιμότητας και όχι απλώς ένα σύμπτωμα σε έναν υπογόνιμο άνδρα. Δεδομένου ότι τα τελομερή συνδέονται με ιστόνες και τοποθετούνται κοντά στα πυρηνικά όρια, υποτίθεται ότι αυτό μπορεί να έχει λειτουργική επίδραση στη διαδικασία της γονιμοποίησης. Σε πρώτη φάση, με τη μέθοδο της ποσοτικής αντίδρασης πολυμεράσης (q-PCR) και τη χρήση κατάλληλων ζευγών εκκινητών προσδιορίσαμε την έκφραση του μιτοχονδριακού περιεχομένου σε σπερματοζωάρια. Προσδιορίστηκε, λοιπόν, ότι στους άνδρες με φυσιολογικό ΔΜΣ το μιτοχονδριακό περιεχόμενο έχει θετική συσχέτιση τόσο με το ΔΜΣ όσο και με την προοδευτική κινητικότητα. Επίσης, στην ίδια ομάδα ο λόγος μιτοχονδριακού προς πυρηνικού DNA είχε θετική συσχέτιση με το ΔΜΣ. Στους υπέρβαρος άνδρες το μιτοχονδριακό περιεχόμενο δεν παρουσίασε κάποια συσχέτιση με το ΔΜΣ και με την προοδευτική κινητικότητα. Τέλος, για την παχύσαρκη ομάδα ανδρών βρέθηκε ότι ο σχετικός αριθμός αντιγράφων μιτοχονδριακού DNA είχε θετική συσχέτιση με την προοδευτική κινητικότητα. Σε δεύτερη φάση, Σε δεύτερη φάση, προσδιορίστηκε το σχετικό μήκος των τελομερών με τη χρήση της μεθόδου ποσοτικής αντίδρασης πολυμεράσης και την επιλογή κατάλληλων ζευγών εκκινητών. Αποδείχθηκε, λοιπόν, ότι στην ομάδα των παχύσαρκων ανδρών το σχετικό μήκος των τελομερών είχε θετική συσχέτιση με το ΔΜΣ. Η αξιολόγηση του σχετικού μήκους των τελομερών για τις ομάδες ανδρών με φυσιολογικό και υπέρβαρο ΔΜΣ δεν έδωσε κάποια στατιστικά σημαντικά αποτελέσματα. Η τελομεράση φαίνεται, λοιπόν, ότι σε συνθήκες οξειδωτικού στρες (παχυσαρκία) εξέρχεται από τον πυρήνα και εισέρχεται στα μιτοχόνδρια για να τα προστατεύσει. Εάν το οξειδωτικό στρες παραμείνει, η τελομεράση εξέρχεται από τα μιτοχόνδρια και εισέρχεται στα τελομερή για να τα προστατέψει επιμηκύνοντάς τα. Αυτή η ανασκόπηση στοχεύει να τονίσει τη λειτουργική σύνδεση μεταξύ της βιογένεσης των μιτοχονδρίων και του μήκους των τελομερών στην ανδρική υπογονιμότητα, καθώς οι μιτοχονδριακές βλάβες έχουν καταστροφική επίδραση στο μήκος των τελομερών, οδηγώντας τόσο σε επιμήκυνση των τελομερών όσο και σε επαναπρογραμματισμό της βιοσύνθεσης των μιτοχονδρίων. Επιπλέον, σκοπός της μελέτης αποτελεί και η διερεύνηση της σχέσης μεταξύ του μιτοχονδριακού περιεχομένου του σπέρματος και του λόγου μιτοχονδριακού προς πυρηνικού DNA σε σχέση με τον δείκτη μάζας σώματος και πώς μπορεί να επηρεάσει την προοδευτική κινητικότητα των σπερματοζωαρίων. Η κατανόηση των σχέσεων μεταξύ αυτών των σημαντικών μεταβλητών θα μας βοηθήσει να κατανοήσουμε καλύτερα τους πιθανούς μηχανισμούς που θα μπορούσαν να συνδέσουν την κινητικότητα και την ποιότητα του σπέρματος με το δείκτη μάζας σώματος, καθώς και την περαιτέρω κατανόηση της ανδρικής γονιμότητας και της αναπαραγωγικής υγείας. Αυτή η μελέτη στοχεύει, επίσης, να προωθήσει τη γνώση των μοριακών μηχανισμών στους οποίους βασίζεται ο δείκτηςμάζας σώματος, των παραγόντων και των πιθανών επιδράσεων του τρόπου ζωής και των μεταβολικών παραγόντων στην κυτταρική υγεία, διερευνώντας τις αλληλεπιδράσειςμεταξύ αυτών των τριών μεταβλητών. Σε αντίθεση με τη βλαστική σειρά, όπου τα τελομερή γενικά πιστεύεται ότι παραμένουν σταθερά σε ένα είδος, οι ανώτεροι σωματικοί ιστοί των ζώων έχουν αποδειχθεί ότι παρουσιάζουν βράχυνση των τελομερών με την ηλικία. Ένα σημάδι νεότητας και βιολογικής ικανότητας πιστεύεται ότι είναι τα μακρύτερα τελομερή στους σωματικούς ιστούς ενός ατόμου σε σύγκριση με άλλα μέλη του ίδιου είδους. Ήταν λοιπόν έκπληξη όταν πολλά εργαστήρια ανακάλυψαν ότι το σπέρμα των ηλικιωμένων ανδρών είχε μακρύτερα τελομερή, γεγονός που είχε ως αποτέλεσμα τα παιδιά τους να έχουνλευκοκύτταρα με υψηλότερο μήκος τελομερών. Η εξέταση των τελομερών και των μιτοχονδριακών γονιδιωματικών ανασυνδυασμών στα σπερματοζωάρια αντιπροσωπεύει έναν τομέα έρευνας αιχμής με βαθιές επιπτώσεις στην κατανόηση της αναπαραγωγικής βιολογίας και των προτύπων κληρονομικότητας. Αυτή η μελέτη χρησιμοποιεί προηγμένες μοριακές τεχνικές για τη διερεύνηση της παρουσίας και της φύσης των τελομερικών και μιτοχονδριακών γονιδιωματικών αναδιατάξεων εντός των σπερματοζωαρίων. Η έρευνα στοχεύει να αποσαφηνίσει τους μηχανισμούς πουδιέπουν αυτούς τους ανασυνδυασμούς και να αξιολογήσει τον πιθανό αντίκτυπό τους στη γονιμότητα, τη γενετική ποικιλότητα και τη μετάδοση του μιτοχονδριακού DNA.