Профиль некодирующих РНК в сперматозоидах резко меняется с возрастом

Все чаще мужчины становятся отцами в пожилом возрасте. Но даже если возрастное снижение фертильности не помешает зачатию, позднее отцовство связано с риском для здоровья потомков, в частности, предрасположенностью к аномалиям развития или нейропсихиатрическим нарушениям. Большинство работ, посвященных возрастным изменениям качества спермы, сосредоточены на ДНК, однако в сперматозоидах содержатся также РНК с различными функциями.

Авторы статьи в The EMBO Journal изучили состав малых некодирующих РНК (sncRNA) сперматозоидов мыши и описали, как их профиль меняется с возрастом. Ученые использовали метод PANDORA-seq, разработанный ими в 2021 году — в отличие от классического подхода (sncRNA-seq), он учитывает также модификации РНК. Метод позволяет более точно и комплексно анализировать разновидности малых некодирующих РНК, в том числе происходящих из тРНК (tsRNA) и рибосомальных РНК (rsRNA). Эти типы наиболее представлены в сперматозоидах и важны для эпигенетического наследования. 

Чтобы проанализировать старение сперматозоидов, авторы использовали самцов мыши инбредной линии C57BL/6J. Всего было представлено пять возрастных групп: 10, 30, 50, 70 и 90 недель. Ученые выделяли РНК из зрелых сперматозодов мышей и анализировали каждый образец двумя методами: классическим sncRNA-seq и PANDORA-seq. После аннотирования типов sncRNA они оценивали возрастные изменения полученного профиля.

Исследователи обнаружили выраженный скачок (aging cliff) между 50 и 70 неделями, то есть резкое изменение состава tsRNA/rsRNA по всем их категориям. Этот разрыв отделял ранний возраст (до 50 недель) от позднего (после 70) и не детектировался классическим sncRNA-seq; ученые связывают это с недостаточной чувствительностью последнего к сильно модифицированным sncRNA.

Аналогичный анализ состава микроРНК (miRNA) сперматозоидов также показал резкий скачок между 50 и 70 неделями, который детектировался только PANDORA-seq и был менее выражен, чем для tsRNA/rsRNA. Интересно, что в этом случае miRNA составили менее 0,5% от общего количества прочтений, тогда как классический вариант содержал более 5% таких прочтений. 

Интересно, что, хотя головки сперматозоидов не содержат митохондрий, ученые выявляли в них митохондриальные tsRNA (mt-tsRNA) и rsRNA (mt-rsRNA). Это согласуется с тем, что mt-tsRNA/mt-rsRNA чувствительны к вызванному диетой стрессу — они транспортируются из митохондрий в ядро для передачи сигнала. Такой механизм коммуникации может влиять на процесс старения сперматозоидов, однако требует дальнейшего изучения.

Анализ PANDORA-seq выявил еще одно возрастное изменение: доля длинных rsRNA возросла, а более короких, наоборот, уменьшилась. 

Чтобы оценить, насколько обнаруженный скачок характерен для человека, исследователи проанализировали образцы спермы из двух независимых когорт. В первую, продольную, включили 8 доноров (возраст от 34 до 68 лет), каждый из которых предоставил два образца с интервалом 6–23 лет, во вторую, поперечную — 47 доноров в возрасте от 25 до 51 года (от них получено по одному образцу).

Анализ с помощью PANDORA-seq выявил возрастное изменение длины rsRNA в обеих когортах, аналогичное тому, что ученые обнаружили у мышей. Профили митохондриальных  tsRNA и rsRNA также менялись похожим образом, то есть эти характеристики старения достаточно консервативны. 

Наконец, чтобы изучить функциональную роль возрастных изменений sncRNA сперматозоидов, авторы отобрали наиболее значительно меняющиеся tsRNA и rsRNA. Два варианта их коктейлей отражали профили «молодых» и «старых» сперматозоидов. Оказалось, что при внесении в эмбриональные стволовые клетки мышей (mESC) более возрастной вариант sncRNA перепрограммирует транскриптом клетки. Перепрограммирование изменяло метаболизм эмбриональных клеток, а также активировало пути, связанные с нейродегенеративными заболеваниями (в том числе болезнями Паркинсона и Альцгеймера). Среди метаболических путей в первую очередь затрагивалась работа митохондрий. 

Таким образом, ученые выявили «возрастной скачок» в профилях некодирующих РНК сперматозоидов — резкий и достаточно консервативный переход, характеризующийся изменениями в геномных и митохондриальных малых РНК. РНК более «возрастного» профиля оказались способны перепрограммировать эмбриональные стволовые клетки, и это объясняет возможную связь между возрастом отца при зачатии и риском патологий у его детей. Однако авторы подчеркивают, что причину таких перемен в профиле малых некодирующих РНК сперматозоидов еще предстоит выяснить. 

Образ жизни отца влияет на эпигенетику эмбриона