Найдена новая мишень для лечения мужского бесплодия и разработки контрацептивов

Олигоастенотератозооспермия (ОАТ) — комплекс патологических изменений мужских половых клеток, при котором одновременно снижено число сперматозоидов, нарушены их подвижность и морфология. Это состояние приводит к репродуктивным проблемам не только у людей, но и у других видов млекопитающих. Исследователи из Университета штата Вашингтон установили, что возможная причина возникновения ОАТ — дисфункция гена Arrdc5, который кодирует белок из семейства альфа-аррестинов ARRDC5. Представители этого семейства регулируют передачу сигналов через рецепторы, связанные с G-белком, а также служат адаптерами для убиквитинлигаз Е3.

Чтобы найти гены, которые консервативно экспрессируются в мужской репродуктивной ткани разных видов млекопитающих, авторы получили транскриптомы единичных клеток тестикулярной ткани мышей, крупного рогатого скота и свиней; секвенирование одноклеточной РНК (scRNA-seq) проводилось на платформах 10х Genomics и Illumina. 

Более десяти тысяч генов экспрессировались в зародышевых клетках всех трех видов, среди них отобрали те, которые, возможно, влияют на фертильность самцов мышей, экспрессируются преимущественно в яичках и являются специфическими для зародышевых клеток. Из этих генов биологическая роль была не установлена только у Arrdc5; при этом у мышей, свиней и быков он экспрессируется только в яичках, а у человека его экспрессия в яичках повышена. Последовательности белка ARRDC5 свиньи и крупного рогатого скота совпадают с человеческим на 77 и 75% соответственно, что говорит о довольно высокой консервативности.

Для уточнения биологической функции гена Arrdc5 авторы использовали систему CRISPR-Cas9: с помощью генного редактирования создали мышей с нефункциональными копиями этого гена. Самцы с нокаутом Arrdc5 оказались бесплодными, в их сперме количество сперматозоидов снизилось на 28%, подвижность ухудшилась в 2,8 раза; до 98% сперматозоидов имели деформированные головки и шейки, укороченные или множественные жгутики. Эксперименты с яйцеклетками in vitro подтвердили неспособность таких сперматозоидов к оплодотворению. Иных фенотипических аномалий у самцов не наблюдалось. Самки с нокаутом Arrdc5 имеют нормальную фертильность, что подтверждает особую роль этого гена в сперматогенезе. Авторы показали, что нарушения происходят во время заключительного этапа созревания сперматозоидов — спермиогенезе.

В этом исследовании ученые проанализировали транскриптомы около 23 000 клеток семенников крупного рогатого скота, 22 000 клеток семенников свиньи и примерно 3000 клеток семенников мыши. Последующая кластеризация по транскриптомным данным выявила шесть типов клеток тестикулярной ткани (зародышевые клетки, клетки Сертоли, клетки Лейдига, миоидные клетки, лимфоциты и макрофаги). Полученная многовидовая база данных одноклеточных транскриптомов ключевых типов тестикулярных клеток может быть полезной для других исследователей, подчеркивают авторы работы.

Возможные направления дальнейших исследований Arrdc5 — поиск мутаций в этом гене, вызывающих мужское бесплодие, а также разработка новых препаратов для мужской контрацепции. Хотя точные механизмы функционирования белка ARRDC5 в мужских зародышевых клетках нуждаются в дополнительном изучении, авторы предполагают, что здесь важна его функция адаптера убиквитинлигазы E3.

Существующие мужские контрацептивы существенно влияют на гормональный фон. Так, тестостерон участвует в различных физиологических функциях, включая производство эритроцитов и наращивание мышечной массы, поэтому противозачаточные средства, нацеленные на него, не могут считаться безопасными. Воодушевляет тот факт, что мыши с нокаутом Arrdc5 были нормальными во всех остальных отношениях, кроме плодовитости самцов. Исследователи уже подали предварительный патент на разработку мужского контрацептивного средства, основанного на свойствах гена Arrdc5 и белка, который он кодирует.

«Вы не хотите навсегда уничтожить способность производить сперму — просто остановить правильное производство сперматозоидов. Тогда теоретически вы сможете перестать принимать препарат, и сперматозоиды снова начнут нормально формироваться», — говорит руководитель работы Джон Оутли.

Кандидатное противозачаточное средство для мужчин испытали на мышах