Теломеры – это участки на концах хромосом, состоящие из определенной теломерной ДНК и белков. Человек и все позвоночные на концах всех хромосом имеют монотонный повтор TTAGGG размером в сотни и тысячи оснований [1]. В подавляющей части соматических клеток теломерная ДНК становится короче в процессе пролиферации клеток в результате неполного удвоения концевых участков (концевой недорепликации), когда полученная копия выходит короче оригинальной [1]. Когда пролиферация клеток заканчивается, и клетка теряет способность делиться, укороченные (но при этом включающие в себя несколько тысяч оснований ДНК) теломеры приводят к явлению репликативного старения [1].
Hayflick L. в начале 1960-х гг., наблюдая за фибробластами, развивающимися в культуре, обнаружил, что после 50 делений клетка переходит в неделящееся состояние, а позже наступает апоптоз [2]. Причиной служит постепенное укорочение теломерных участков при каждом последующем делении клетки [2].
Спустя 10 лет русский ученый, биолог А.М. Оловников выдвинул теорию маргинотомии. Ее суть заключалась в том, что из-за недорепликации последовательностей ДНК на концевых участках клетка способна делиться ограниченное количество раз, то есть при матричном синтезе нуклеотидов ДНК-полимераза не может полностью повторить линейную матрицу, и новая копия становится короче предыдущей, что сокращает пролиферативный потенциал клеток и приводит впоследствии к клеточному старению [3, 4]. По мнению автора, «нестарение» бактерий можно объяснить кольцевым строением ДНК, а концевые участки раковых и стволовых клеток удлиняются за счет особого фермента, который назван тандем-ДНК-полимеразой [3, 4].
В 1985 г. Кэрол Грейдер обнаружила, что существует специфический фермент, благодаря которому на теломерных участках хромосомы к 3’-концу добавляются повторяющиеся фрагменты нуклеотидов [5]. Специфический фермент получил название теломеразы, которая является обратной транскриптазой [5]. Так теория Оловникова была подтверждена. Далее было выявлено, что в процессе репликации теломерных участков принимает участие не только теломераза, а еще и ряд ферментов (теломеразный комплекс), стабилизируя укорочения и удлинения концов хромосом [6].
Поддержание активности теломеразы в течение более длительного времени необходимо, чтобы половые клетки задерживали разрушение теломер, таким образом, избегая дефектов сегрегации хромосом, которые могли бы способствовать анеуплоидным или несбалансированным гаметам [6].
За последние несколько лет биология теломер стала важной темой в области репродукции человека, что побудило ряд исследований сосредоточиться на связи между длиной теломер и сперматогенезом, мужской фертильностью, развитием и качеством эмбрионов во время проведения вспомогательных репродуктивных технологий (ВРТ), а также такими женскими заболеваниями, как синдром поликистозных яичников, преждевременная недостаточность яичников и эндометриоз [5–7].
Поскольку активность теломеразы в большинстве клеток взрослого организма прекращается, теломеры подвержены постепенному укорочению, что приводит к явлению, известному как репликативное старение [8]. Количество клеточных делений фактически ограничено, и этот предел, известный как «предел Хейфлика», представляет собой явление, после которого происходит остановка клеточного цикла [9].
Длина теломер сперматозоидов и ее роль в репродукции
Напротив, в отличие от того, что происходит в соматических клетках, активность теломеразы в мужских половых клетках останавливается позже во время сперматогенеза. Это событие может частично объяснить, почему у сперматозоидов теломеры длиннее других типов клеток [8–12]. Высокая активность теломеразы в сперматогониях типа А медленно снижается вплоть до полной инактивации фермента в зрелых сперматозоидах [13].
Сперматогонии подвергаются большему количеству митотических делений по сравнению с оогониями, поскольку сперматогонии продолжают делиться и в постнатальном периоде жизни, теломеры сперматозоидов длиннее, чем у ооцитов [14].
Как известно, наличие удлиненных или стабилизированных теломер необходимо для иммортализации клетки, что может быть достигнуто специальными механизмами [15, 16]. Основное влияние на эти механизмы оказывает теломераза. Однако есть клетки, имеющие длинные и гетерогенные теломеры, но при этом теломеразная активность не наблюдается [15, 16]. Более того, укороченные теломеры в этих клетках активно удлиняются до больших размеров [16]. Это явление объясняется существованием альтернативных механизмов удлинения теломер [15–17].
Неожиданное удлинение теломер, наблюдаемое на разных стадиях созревания мужских половых клеток, несмотря на отсутствие активности теломеразы, привело к гипотезе о том, что механизм альтернативного удлинения теломер может удлинять теломеры во время сперматогенеза [18]. Вероятно, в половых клетках используются те же альтернативные механизмы удлинения теломер, что и в соматических клетках. Возможно, что удлинение теломерных концов в отсутствие теломеразы осуществляется за счет обмена теломерных последовательностей между длинными и короткими теломерами [19].
Исследования на животных показали, что теломеры сперматозоидов, как правило, длиннее, чем у ооцитов; и, кроме того, естественное размножение самок мышей Mus musculus и самцов Mus spretus приводит к появлению потомства с более короткими теломерами, чем у самок Mus musculus и самцов Mus musculus, поскольку длина теломер сперматозоидов Mus musculus длиннее, чем длина теломер у Mus spretus. [20]. Это различие может указывать на то, что длина теломер у потомства зависит от отцовской длины теломер [20]. Недавние исследования также показали, что у потомков отцов, которые были старше на момент зачатия, были не только более длинные теломеры лейкоцитов, но и более длинные теломеры сперматозоидов, чем у потомков, зачатых от молодых отцов [21–24].
Большой интерес представляет то, что длина теломер сперматозоидов коррелирует с нарушениями в параметрах спермограммы: у мужчин с олигозооcпермией (состояние спермы, при котором концентрация сперматозоидов в эякуляте ниже нормы) длина теломер сперматозоидов была ниже, чем у мужчин с нормозооспермией [24]. Кроме того, была продемонстрирована корреляция между длиной теломер сперматозоидов и качеством полученных эмбрионов: у пациентов с более короткими теломерами формировались эмбрионы более низкого качества, чем у мужчин, у которых длина теломер сперматозоидов была большой [25]. Также длина теломер сперматозоидов была существенно выше в образцах обработанного эякулята, центрифугированного в градиенте плотности [26] или методом всплытия swim up [27], чем в нативных образцах. Кроме того, была обнаружена положительная корреляция между длиной теломер сперматозоидов, их подвижностью и показателями жизнеспособности у мужчин с нормозооспермией [28] и между длиной теломер сперматозоидов и частотой оплодотворения в образцах с нормальными показателями спермограммы [29]. Было выявлено, что сперматозоиды с более короткими теломерами имеют более фрагментированную ДНК [28]. Это свидетельствует о том, что длина теломер сперматозоидов является дополнительным параметром спермы, который может добавить информацию о повреждении ДНК у мужчин с нормозооспермией [28]. Таким образом, длина теломер сперматозоидов является важным параметром фертильности мужчин, что открывает новые перспективы в оценке и диагностике мужского бесплодия.
Длина теломер и женское бесплодие
Известно, что более короткая длина теломер связана с рядом хронических заболеваний, таких как сердечно-сосудистые заболевания, инсульт, рак, артрит, остеопороз, сахарный диабет 2 типа, гипертония, психические заболевания, хроническая обструктивная болезнь легких и деменция [30–34]. Интересно, что в ряде исследований сообщается о взаимосвязи между репродуктивным старением и длиной теломер лейкоцитов, что свидетельствует о взаимосвязи между зародышевой линией и длиной соматических теломер. У женщин старшего репродуктивного возраста, родивших детей с синдромом Дауна, средняя длина теломер лейкоцитов значительно короче, чем у сопоставимых по возрасту матерей, которые родили детей с нормальным кариотипом [35]. Тем не менее данная корреляция не относилась к более молодым матерям детей с синдромом Дауна [35, 36]. Кроме того, женщины с необъяснимыми неоднократными потерями беременностей также имели более короткую длину теломер лейкоцитов по сравнению с контрольной группой того же возраста [37]. Помимо естественного старения, на укорочение теломер могут влиять физическая активность, индекс массы тела, заместительная гормональная терапия, курение, хроническое воспаление, окислительный стресс, пищевые антиоксиданты и витамины. Многие исследования показали, что женщины, ведущие здоровый образ жизни, имеют более длинные теломеры лейкоцитов [7].
Длина теломер в клетках гранулезы также ассоциирована с репродуктивным здоровьем женщин. Butts S. et al. выявили, что у женщин со сниженным овариальным резервом теломеры в клетках гранулезы короче и имеют меньшую активность теломеразы [38]. Преждевременная недостаточность яичников также была связана как с более короткой длиной теломер лейкоцитов, так и с длиной теломер клеток гранулезы [39]. Другим фактором, обычно приводящим к бесплодию, является синдром поликистозных яичников (СПКЯ). Несколько исследований были сосредоточены на связи между длиной теломер и СПКЯ [40, 41–46]. Тем не менее исследования различаются по типу ассоциации и корреляции. Из 7 рассмотренных исследований 3 исследования показали отрицательную связь между длиной теломер лейкоцитов у пациентов контрольной группы и у пациентов с СПКЯ [40–42]. Wei D. et al. продемонстрировали значительно большую длину теломер клеток гранулезы между контрольной группой и пациентами с CПКЯ, но отрицательную связь между длиной теломер лейкоцитов между контрольной группой и пациентами с СПКЯ [43]. В другом исследовании была выявлена значительно большая длина теломер лейкоцитов у пациентов с СПКЯ [44]. В отличие от этого, Li Y. et al. продемонстрировали, что длина теломер лейкоцитов была короче у женщин с СПКЯ, и что короткая длина теломер лейкоцитов увеличивала риск заболевания [45]. Другая группа продемонстрировала более короткую длину теломер клеток гранулезы и более раннее начало симптомов бесплодия у женщин с более низким уровнем активности теломеразы и CПКЯ [46]. Высокая активность теломеразы в клетках эндометрия наблюдалась в секреторной фазе бесплодных женщин с эндометриозом по сравнению со здоровыми женщинами или фертильными женщинами с эндометриозом [47].
Основополагающим фактором для наступления беременности является успешная имплантация эмбриона. Имплантационное окно находится в середине секреторной фазы менструального цикла, которая включает доминирующее действие прогестерона с максимальной дифференцировкой клеток. Этот период также связан с наименьшей активностью теломеразы эндометрия и наименьшей средней длиной теломер в клетках эндометрия, что указывает на необходимость низкой активности теломеразы эндометрия для наступления беременности [48, 49]. Такое подавление активности теломеразы в эндометрии фертильных женщин было предложено в качестве процесса, позволяющего клеткам эндометрия подвергаться дифференцировке с клеточным апоптозом, необходимым для освобождения места для имплантации эмбриона [40, 48, 49].
Согласно исследованию, проведенному Kalmbach K.H. et al., репродуктивное старение включает в себя снижение как числа ооцитов, так и способности к развитию и может объясняться укорочением теломер [50]. Короткая длина теломер в ооцитах и эмбрионах ассоциирована с неудачами в программах экстракорпорального оплодотворения (ЭКО). Исследования показали, что женщины, которые не забеременели после ЭКО, имеют более короткие теломеры в ооцитах по сравнению с теми, кто забеременел [51]. Также из ооцитов с более короткими теломерами формировались эмбрионы с фрагментацией [52]. Недавнее исследование продемонстрировало прямую связь между короткой длиной теломер в полярных телах и анеуплоидными эмбрионами [53]. Парадоксальным является то, что, несмотря на сокращение длины теломер, связанное со старением клеток, происходит удлинение теломер во время ранних клеточных циклов развития, благодаря механизму, включающему рекомбинацию, сестринский хроматидный обмен и активацию работы теломеразы после стадии бластоцисты [10].
Активность теломеразы в эмбриональном развитии
Наличие длинных теломер является очевидным эволюционным преимуществом. Короткие теломеры могут поставить под угрозу беременность, влияя на формирование, развитие, имплантацию и постимплантационное развитие эмбриона [6]. Интересным является то, что при ЭКО по длине теломер в яйцеклетке можно спрогнозировать наступление беременности. Если средняя длина теломер уменьшится до менее 6,32 т.п.н., то вероятность наступления беременности снизится [51]. Объяснением повышенного риска репродуктивной недостаточности могут быть высокие ошибки сегрегации во время митоза, определяющие нарушение раннего развития эмбриона [6].
Теломеразная активность присутствует в клетках сперматогенеза, оогенеза человека, а также в эмбриональных тканях зародыша [1]. В женских половых клетках наблюдается пик активности теломеразы в оогониях, тогда как зрелые ооциты не имеют или имеют низкую активность [54]. Интересно, что недавние исследования показали, что активность теломеразы является низкой как в ооците после оплодотворения, так и в зиготе и очень высокой в эмбрионах на стадии бластоцисты, достигая максимальной активности [55–57]. Начиная со стадии бластоцисты, теломераза активируется в высокой степени и обнаруживается во всех тканях плода человека во время первых 13 недель беременности [1]. Активность теломеразы наблюдается в некоторых тканях эмбриона (кишечник, печень, кожа, легкие, мышцы, надпочечники и почки) и пропадает позже 16 недели беременности в костях и мозге, несмотря на активное деление клеток, соответственно, и развитие тканей [1].
Заключение
Изучение теломер представляет большой интерес для современной репродуктологии и эмбриологии. Многочисленные исследования показали наличие положительной корреляции между длиной теломер в половых клетках и мужской и женской фертильностью, а вследствие этого, – исходами программ ВРТ.
Анализ научных данных показывает, что длина теломер является важнейшим биологическим маркером компетенции и качества половых клеток. Ряд научных работ продемонстрировали, что при использовании гамет с более длинными теломерами успешность программ ВРТ существенно возрастает. Это может объясняться тем, что биологическая функция теломер чрезвычайно важна: теломеры защищают концы хромосом от деградации и слияния с другими хромосомами; также благодаря теломерам можно избежать дефектов сегрегации хромосом, которые могли бы способствовать анеуплоидным или несбалансированным гаметам. Большой научный интерес представляет изучение влияния длины теломер в половых клетках на исходы программ ВРТ, а также активности теломеразы на разных этапах развития клеток и эмбрионов. Полученные научные данные о длине теломер в половых клетках человека позволят глубже понять механизмы удлинения и функционирования теломер.
Исследование длины теломер и активности теломеразы открывает перспективы внедрения новых клинических анализов, направленных на выявление и диагностику причин мужского и женского бесплодия.
