Jedz słabo, a twoje ciało będzie pamiętać - i być może przeniesie konsekwencje na twoje dzieci. W ciągu ostatnich kilku lat coraz więcej dowodów wykazało, że plemniki mogą wziąć pod uwagę decyzje ojca dotyczące stylu życia i przenieść ten bagaż na potomstwo. Dzisiaj w dwóch uzupełniających się badaniach naukowcy mówią nam, jak to zrobić.
Gdy plemniki przemierzają męski układ rozrodczy, wyrzucają je i nabywają ładunki niegenetyczne, które zasadniczo zmieniają plemniki przed wytryskiem. Modyfikacje te nie tylko informują o bieżącym samopoczuciu ojca, ale mogą również mieć drastyczne konsekwencje dla żywotności przyszłego potomstwa.
Każdego roku ponad 76 000 dzieci rodzi się w wyniku technik wspomaganego rozrodu, z których większość dotyczy pewnego rodzaju zapłodnienia in vitro (IVF). Procedury te łączą komórki jajowe i nasienie poza ludzkim ciałem, a następnie przenoszą powstałe zapłodnione jajo - zarodek - do macicy kobiety. Istnieje wiele odmian IVF, ale w niektórych przypadkach, które wiążą się z niepłodnością męską - na przykład plemniki, które mają trudności z pływaniem - plemniki muszą być chirurgicznie ekstrahowane z jąder lub najądrzy, długiego, zwiniętego kanału, który otacza każde jądro.
Po wytworzeniu nasienia w jądrach wyruszają w przerażającą podróż przez kręte najądrze - które u ludzkiego mężczyzny mają rozwiniętą długość około sześciu metrów - w drodze do przechowywania. Plemniki wędrują z najądrza przez około dwa tygodnie; tylko na końcu tej ścieżki są w pełni ruchliwi. Tak więc, podczas gdy „dojrzałe” nasienie można zasadniczo zrzucić na oczekujące jajo i można zasadnie oczekiwać, że osiągnie zapłodnienie, nasienie zerwane z jąder i najądrzy należy wstrzyknąć bezpośrednio do jaja bardzo cienką igłą. Bez względu na źródło nasienia, te techniki urodziły zdrowe niemowlęta w ciągu czterech dekad udanych procedur.
Ale naukowcy wiedzą, że geny to nie cały pakiet. W ciągu jednego życia nasze genomy pozostają takie, jakie zostały pierwotnie napisane. Jednak to, jak, kiedy i dlaczego są przestrzegane instrukcje genetyczne, może drastycznie różnić się bez zmiany samej instrukcji - podobnie jak manipulowanie głośnością na głośniku bez dotykania okablowania wewnątrz. Zjawisko to, zwane „epigenetyką”, pomaga wyjaśnić, dlaczego genetycznie identyczne osobniki w podobnych środowiskach, takie jak bliźniaki lub myszy laboratoryjne, mogą nadal wyglądać i działać na bardzo różne sposoby. A takie rzeczy jak dieta czy stres są w stanie zwiększać i zmniejszać objętość naszych genów.
Jednym z najpotężniejszych członków epigenetycznego zestawu narzędzi jest klasa cząsteczek zwanych małymi RNA. Małe RNA mogą ukrywać informację genetyczną przed maszynerią komórkową, która wykonuje swoje instrukcje, skutecznie ginąc geny z istnienia.
Dziedzictwo zachowania taty może przetrwać nawet u jego dziecka, jeśli jego epigenetyczne elementy dostaną się do zarodka. Na przykład myszy urodzone przez ojców doświadczających stresu mogą odziedziczyć behawioralne konsekwencje traumatycznych wspomnień. Dodatkowo, tatusiowie myszy, których dieta jest mniej niż pożądana, mogą przekazać chwiejny metabolizm swoim dzieciom.
Upasna Sharma i Colin Conine, obaj pracujący pod kierunkiem Olivera Rando, profesora biochemii na University of Massachusetts Medical School, byli niektórymi badaczami, którzy zgłosili takie odkrycia w 2016 r. W swojej pracy Sharma i Conine zauważyli, że u myszy, podczas gdy niedojrzałe plemniki jąder zawierają DNA identyczne z dojrzałymi plemnikami, niedojrzałe plemniki przekazują różne informacje epigenetyczne. Okazuje się, że małe RNA nasienia podlegają rotacji po jądrach, zbierając dane wywiadowcze na temat zdrowia fizycznego ojca (lub jego braku) po ich wytworzeniu, ale przed opuszczeniem ciała. Jednak dokładny pit stop, w którym te dodatkowe małe RNA zaczepiają się o jazdę, pozostawał nieznany.
Aby rozwiązać zagadkę, Sharma, który prowadził pierwsze z dwóch nowych badań, postanowił śledzić skład małych RNA w nasieniu myszy, gdy uciekali z jąder i przepłynęli najądrza. Ona i jej koledzy wyizolowali spermę w różnym wieku od myszy, w tym tych, które wkrótce wyjdą z jąder, tych, które weszły we wczesną część najądrzy i tych w późnej części najądrza. Sharma był zaskoczony, gdy odkrył, że wiele małych RNA zostało odrzuconych lub zniszczonych po wejściu do wczesnych najądrzy; następnie nowo zwolnione plemniki odzyskały epigenetyczne dane wywiadowcze, które odzwierciedlały stan bycia ojca, szczycąc się pełnym zestawem, zanim opuściły późne najądrze.
Istniało tylko jedno możliwe źródło odnowienia małego RNA: komórki najądrza - co oznaczało, że komórki spermy przekazywały informacje przyszłym pokoleniom.
„[Najądrze] to najmniej zbadany narząd w ciele” - mówi Rando, który był starszym autorem w obu artykułach. „Okazuje się, że ta tuba, o której nikt nie myśli, odgrywa kluczową rolę w reprodukcji”.
Aby potwierdzić, że przyczyną najądrzy, zespół Sharmy dodał marker chemiczny do zestawu małych RNA w najądrzach i śledził ich migrację. Jak podejrzewali, niewielkie porcje RNA wyskoczyły z komórek w najądrzach i połączyły się z nasieniem. Każdy skradający się pływak nosił te epigenetyczne elementy aż do ostatecznego zjednoczenia z jajkiem.
Wydawało się, że plemniki w różnych punktach układu rozrodczego mają tę samą genetykę, ale nie tę samą epigenetykę. Czy ta różnica była wystarczająco duża, żeby mieć znaczenie? Colin Conine, który prowadził drugie z dwóch nowych badań, następnie sprawdził, czy użycie niedojrzałej nasienia miałoby zauważalny wpływ na potomstwo myszy. On i jego koledzy pobrali nasienie z jąder, wczesnego najądrza i późnego najądrza i wstrzyknęli je do jaj. Wszystkie trzy rodzaje nasienia były w stanie zapłodnić jaja. Jednak gdy Conine przeniósł uzyskane zarodki do mysich surogatów, żaden z nich nie pochodził z wczesnego nasienia najądrza - stadium pośredniego pozbawionego większości małych RNA - wszczepionego do macicy. Najmniej i najbardziej dojrzałe plemniki z tej grupy były zwycięzcami - ale jakoś ci w środku wypalali się, mimo że wszystkie ich geny były nienaruszone.
To było zaskakujące dla wszystkich zaangażowanych. „Ten pośredni etap przełomowy był naprawdę oszałamiający”, mówi Rando.
Początkowo naukowcy zastanawiali się, czy w jakiś sposób wyizolowali śmieciowe plemniki, które zostały skazane na usunięcie z wczesnych najądrzy przed osiągnięciem ejakulatu. Ale tak się nie stało: wszystkie trzy rodzaje nasienia mogą zapłodnić jaja. Jedynym innym wyjaśnieniem było to, że wada była tymczasowa. Gdyby tak było, to być może, gdyby nakarmiono odpowiednie małe RNA, wczesne plemniki najądrzy mogłyby zostać uratowane.
W swojej pracy Sharma zauważyła, że chociaż epigenetyczny ładunek plemników jąder i późnych plemników najądrzy znacznie się różnią, łączyło ich kilka grup wspólnych - ale te małe RNA zostały eksmitowane z plemników, gdy weszły do najądrzy, a następnie odzyskane z komórek wzdłuż meandrujący przewód. Mimo, że odniosła sukces, wczesna klapa najądrza była jedynym etapem pozbawionym tych elementów - i jedynym etapem niezdolnym do wygenerowania wszczepialnego zarodka.
Aby sprawdzić, czy te szczególne małe RNA były kluczem do płodności, naukowcy wyciągnęli małe RNA z późnych najądrzy i wstrzyknęli je do zarodków zapłodnionych wczesną nasieniem najądrzy. Ku ich zdumieniu zarodki te nie tylko wszczepiły, ale także dały szczenię myszy - nie do odróżnienia od zarodków zapłodnionych późnym nasieniem najądrza. Wczesne nasienie najądrza było wadliwe, ale nie nieodwracalnie. To wskazywało, że niedobór nie był przypadkiem, ale normalną częścią podróży przez labirynt najądrza. Innymi słowy, na drodze do dojrzewania mężczyźni łamali nasienie, a następnie naprawiali uszkodzenia.
„Dziwnie jest widzieć, jak tracą [żywotność] i odzyskują ją”, mówi Sharma. A użyteczność tego tam iz powrotem pozostaje całkowicie zagadkowa. Ale bez względu na przyczynę, jasne jest, że plemniki różnią się ogromnie wzdłuż długości dróg rozrodczych.
Mollie Manier, profesor, który studiuje genetykę nasienia na George Washington University i nie była powiązana z badaniem, chwaliła rygorystyczny charakter tego „bardzo ekscytującego” badania. „Te artykuły naprawdę poszerzają nasze rozumienie tego, w jaki sposób ojcowie mogą przekazywać swoim dzieciom informacje niegenetyczne”, wyjaśnia. Według Heidi Fisher, profesora, który studiuje nasienie na University of Maryland, a także nie uczestniczył w badaniach, te „elegancko zaprojektowane” eksperymenty mogą także rzucić światło na to, jak problemy z najądrzem mogą powodować niewyjaśnione przypadki męskiej niepłodności.
W swojej przyszłej pracy grupa Rando będzie nadal badać młode myszy generowane ze spermy w różnym wieku, uważnie obserwując wszelkie długoterminowe problemy w ich zdrowiu. Zespół ma również nadzieję ustalić, które małe RNA są bezpośrednio odpowiedzialne za udaną implantację - i dlaczego plemniki wkraczają w ten oszałamiający okres niekompetencji.
„Jest wiele rzeczy, których jeszcze nie wyjaśniliśmy” - mówi Conine. „Ale zwierzęta to nie tylko ich DNA.” Conine ostrzega jednak, że różne nie zawsze oznaczają gorsze. Nasiona jąder i najądrzy od ludzi pomogły i nadal pomagają tysiącom na całym świecie począć dzieci.
To wiąże się z małym zastrzeżeniem. Dopiero w 1978 r. Pierwsze dziecko urodziło się z powodzeniem w procedurze in vitro - i mimo że tysiące z nich poszły później, to pokolenie jest wciąż młode. Jak dotąd nie ma powodu, aby podejrzewać jakiekolwiek negatywne konsekwencje zapłodnienia in vitro w stosunku do naturalnego zapłodnienia; w miarę starzenia się tej populacji badacze będą nadal uważnie obserwować. Ponieważ większość procedur IVF wykonuje się przy użyciu dojrzałych plemników, które usunęły późne najądrze, Rando nie jest tym zainteresowany.
I w mało prawdopodobnym przypadku, gdy istnieją konsekwencje wykorzystania nasienia jąder lub najądrzy w tych procedurach, Rando ma nadzieję, że przyszłe prace umożliwią naukowcom przywrócenie niezbędnych informacji, których może brakować niedojrzałym plemnikom. Pewnego dnia zajęcie się epigenetyką może być kluczem do ulepszenia technologii wspomaganego rozrodu - i zapewnienia, że plemniki są tak dojrzałe, jak to tylko możliwe.
