Betydning af sædcellens epigenetik for befrugtning og fosterudvikling

Den første fostercelle, zygoten, dannes ved sammensmeltning af to haploide kønsceller. Zygoten er derfor en kombination af DNA fra både ægcellen og sædcellen og indeholder genetisk information til at skabe et nyt individ. Foruden genetisk information indeholder sædcellen og ægcellen epigenetisk information. Begrebet epigenetik dækker over molekylære mekanismer, der regulerer, hvordan bestemte gener udtrykkes, uden at ændre den underliggende basesekvens. Epigenetik muliggør derfor omdannelsen af det samme genom til hundreder af forskellige epigenomer, hvilket kan forklare mangfoldigheden af humane celler. For sædceller spiller epigenetisk regulering en væsentlig rolle under både spermatogenesen, befrugtningen og embryogenesen. Ligeledes er abnorm sædcelleepigenetik associeret med forringet fertilitet. Sædcellens epigenetik er ikke statisk, men kan hos både mennesker og dyr ændres af livsstil. Dette er interessant, da man i flere dyrestudier har påvist, at epigenetiske mønstre kan nedarves fra en generation til den næste via kønsceller og have indflydelse på afkommets fænotype. I 2016 blev der for første gang lanceret en kommerciel test til kortlægning af sædcellers epigenetiske signatur. Virksomheden bag hævder, at testen kan give deres kunder bedre indsigt i deres sædcellers sundhed og chance for succes ved fremtidig in vitro-fertilisering. I denne artikel introduceres den nuværende viden om, hvordan sædcellens epigenetik kan have en effekt på sædcellens funktion, og hvorledes mandens livsstil påvirker epigenetikken. Vi vil endvidere diskutere anvendelsen af alternativer i udredningen af mandlig fertilitet.

EPIGENETISK REGULERING AF

SPERMATO- OG EMBRYOGENESEN

Under spermatogenesen udvikles og modnes spermatogonier til funktionelle spermatozoer i en kompleks proces, hvori der indgår store ændringer i epigenetikken. De mest undersøgte epigenetiske mekanismer er:

1) DNA-metylering, 2) histonmodifikationer og 3) små ikkekodende RNA. Den epigenetiske profil i sædcellerne adskiller sig fra den epigenetiske profil i somatiske celler på flere områder (Figur 1): 1) Reguleringen af DNA-metyleringsniveauet undervejs i sædcellens udvikling har stor betydning for omdannelsen fra germinalcelle til moden sædcelle [2, 3]. Sædceller har et højt niveau af DNA-metylering, hele 85%, hvor ægceller har omkring 50% [4]. Vigtigheden af DNA-metylering kan observeres i eksperimentelle dyrestudier, hvor kemisk hæmning resulterer i nedsat befrugtningsevne og et øget tab af embryoner inden implantation [5]. Efter befrugtning fjernes en stor del af DNA-metylgrupperne fra det paternelle genom ved forøget ten-eleven translocation-enzyme-aktivitet [6]. På trods af fjernelsen af metylgrupper kan metyleringsmønstre fra sædceller genfindes i somatiske celler hos afkommet hos dyr [7]. 2) Størstedelen af de oprindelige histoner bliver i modne sædceller udskiftet med proteiner kaldet protaminer. Protaminernes stærke ringformede struktur resulterer i nuklearkomprimering, der er nødvendig for sædcellens motilitet, beskyttelse af DNA’et og medvirkende til sædcellens transkriptionelle inaktivitet. I en metaanalyse fra 2016 påviste man, at mangel på protaminer var associeret med øget DNA-skade og mandlig subfertilitet [8], muligvis på grund af nedsat beskyttelse af DNA’et. 3) Som et resultat af sædcellers lave indhold af cytoplasma og den transkriptionelle inaktivitet indeholder sædceller op til 200 gange mindre RNA end ægceller og somatiske celler [9]. På trods af dette er der rapporteret om indhold af flere RNA-klasser, som mRNA, miRNA, piRNA og tRNA i sædceller. RNA-molekylerne bliver ved befrugtning overført til ægcellen, og fund i mus tyder på, at mangel på bestemte miRNA resulterer i forstyrret deling af zygoten [10].

Sædcellens specifikke epigenetik er derfor nødvendig for udviklingen af funktionelle sædceller igennem spermatogenesen og er samtidig et vigtigt element af embryogenesen.

INDFLYDELSEN AF LIVSSTIL PÅ SÆDCELLENS EPIGENETIK OG NÆSTE GENERATION

I observationelle, epidemiologiske kohortestudier har man afdækket, at forfædres manglende adgang til føde inden en graviditet, kunne være forbundet med risiko for udvikling af sygdom hos børn og børnebørn [11, 12]. Epigenetisk arv er blevet foreslået som en mulig forklaring på, at miljøet i en generation kan have indflydelse på den næste generation. Den epigenetiske signatur er, modsat den genetiske, dynamisk og kan ændres som respons på faktorer i miljøet og livsstilen [4-7]. De seneste års dyrestudier har givet flere eksempler på, at kost, motion og stress kan påvirke sædcellernes epigenetik og helbredet i de følgende generationer. Tilsvarende forsøg med mennesker har indtil nu bekræftet, at skift i livsstil også hos mennesker kan ændre sædcellers epigenetik.

I to studier fra hhv. 2010 og 2016 blev hanrotter (F0-generationen) fodret med en fedtholdig diæt og parret med hunrotter, der havde fået en normal diæt [13, 14]. I begge studier havde hunrotterne i de næste to generationer (F1- og F2-generationen) en lavere glukosetolerans og pankreatisk β-cellemasse end kontrolrotterne [14, 15]. Observationen blev understøttet af transkriptionsanalyser, der viste, at hunrotter fra F1-generationen havde en ændret mængde gener, der var relateret til insulinproduktion [13]. I det nyeste af de

to studier fandt forskerne derudover en ændret DNA-metylering og sammensætning af små ikkekodende RNA i sædcellerne i både F0- og F1-generationen sammenlignet med kontrolrotterne [14]. De eksperimentelle rottestudier matcher fund fra humane epidemiologiske studier, der viser en sammenhæng mellem BMI hos en far og afkommets helbred [15]. Ligeledes blev der i 2016 påvist en forskel i den epigenetiske signatur i sædceller fra normalvægtige mænd og overvægtige mænd [16]. Det samme studie viste endvidere, at vægttab efter en Roux-en-Y-gastrisk bypassoperation ændrede sammensætningen af små ikkekodende RNA og DNA-metyleringen af gener, der indgår i appetitregulering og udviklingen af det centrale nervesystem.

Fysisk aktivitet er også blevet påvist at kunne ændre sædcellens epigenetik. I et studie fra 2016 fandt man, at afkom af trænede hanmus havde en højere kropsvægt og øget plasmainsulin end afkom af ikketrænede hanmus [17]. Observationen blev understøttet af fund af ændret DNA-metylering og miRNA i sædcellerne efter træning. I studier med mennesker har man bekræftet, at fysisk træning kan ændre sædcellens epigenetiske signatur. I det første studie, der blev publiceret i 2015, blev sædceller indhentet før og efter tre måneders træning fra en gruppe på 24 mænd [18]. I den efterfølgende epigenetiske analyse så man en ændret DNA-metylering blandt andet på gener, der indgår i udvikling af parkinsonisme og skizofreni. I et nyere studie fra Danmark fandt man ligeledes, at seks ugers aerob træning ændrede DNA-metyleringen i flere områder med gener, der indgår i neurogenese og neurondifferentiering, samt mængden af piRNA [19]. Den funktionelle rolle for disse ændringer er endnu ikke undersøgt.

Stress er endnu en faktor, der kan påvirke sædcellens epigenetik og næste generations helbred [20, 21]. I et studie fra 2014 blev nyfødte hanmus udsat for traumatisk stress, hvilket senere i deres liv medførte en anden adfærd og metabolisk respons på stressende situationer end hos ikketraumatiserede mus [21]. Dette mønster blev genfundet i afkom fra de traumatiserede mus. Interessant kunne forskerne ved at isolere ikkekodende RNA fra sædceller fra traumatiserede mus og injicere det i et uberørt befrugtet æg genskabe fænotypen i det resulterende afkom. Matchende fund blev gjort i et studie fra 2016, hvor forskerne ved at udsætte voksne hanmus for stress eller kortisoninjektioner fandt en ændret epigenetisk signatur i musenes sædceller, og deres afkom havde en forringet metabolisk profil [21]. Studier med mennesker har vist, at traumatiske oplevelser kan disponere afkom for stress [22].

Overordnet indikerer resultaterne af dyrestudier, at ændringer i miljøet kan påvirke sædcellers epigenetik og herigennem næste generations helbred. Hos mennesker har epidemiologiske studier vist, at ændringer i miljøet kan have betydning for næste generations helbred, og i kliniske studier har man påvist, at sædcellers epigenetik ligeledes kan ændres (Figur 2).

DEN KLINISKE ANVENDELSE AF EPIGENETIK

I INFERTILITETSDIAGNOSTIK

Analyse af sædkvalitet er en essentiel procedure i den kliniske undersøgelse af infertile par. Den nuværende standardprocedure, der er anbefalet af WHO, indbefatter en undersøgelse af sædcelleantallet, motiliteten

og mængden af morfologisk normale celler i en prøve [23]. Selv om man ved hjælp af testen kan redegøre for mandens evne til at producere motile sædceller, kan man kun i specifikke tilfælde sige noget om mandens reproduktive potentiale [24]. For at en sædcelle kan befrugte en ægcelle kræves der, ud over motilitet, en række intakte funktioner som: 1) kapacitering, 2) evnen til at binde til zona pellucida, 3) akrosomreaktion for at penetrere zona pellucida og 4) evnen til at sammensmelte med ægcellen, hvilket kræver intakt DNA. Flere af disse funktioner kan undersøges i separate test, og netop en test for intakte akrosomer er for nylig blevet beskrevet af en dansk forskergruppe på Rigshospitalet [25].

Parallelt med udviklingen af test for sædcellens funktion har den teknologiske udvikling medført, at den epigenetiske analyse er kommet tættere på klinikken. Flere epigenetiske markører bliver nu testet for deres rolle i infertilitet, bl.a. sammensætningen af protaminer, histonmodifikationer, ikkekodende RNA og DNA-metylering [26]. Netop DNA-metylering er i to nyere studier fra samme forskergruppe blevet undersøgt på næsten en halv million steder henover genomet. Her fandt man, at man vha. DNA-metyleringen kunne forudsige henholdsvis mandens fertilitetsstatus og sandsynlighed for med hans sæd at udvikle sunde embryoer [27, 28]. Den prædikative værdi for testen viste en sensitivitet (82%) og en specificitet (99%), der lægger sig op ad andre test af sædcellens funktion, som for eksempel DNA-skade- og akrosomreaktionstest, der ligeledes mangler sensitivitet til forudsigelse af infertilitet [24]. Forskerne bag har nu udviklet den første epigenetiske test på markedet og påstår at have en bioinformatisk model til beregning af den relative risiko for komplikationer. Testen er på nuværende tidspunkt væsentlig dyrere og mere kompliceret end de tidligere test og har lignende prædikativ værdi. Især implementeringen af disse nye test i den kliniske praksis bliver derfor spændende at følge for at finde ud af, om screening af DNA-metylering i sædceller i samspil med andre test kan forbedre den kliniske udredning for infertilitet ved at identificere patienter, der ellers ikke ville være blevet diagnosticeret. Andre epigenetiske markører bliver på nuværende tidspunkt også undersøgt. Et studie fra 2016 viste, at fertile og infertile mænd med normal sædproduktion havde forskellig sammensætningen af miRNA [29]. Andre forskergrupper har ligeledes forsøgt at identificere specifikke miRNA som mulige biomarkører for infertilitet, men i disse forsøg gav målingen af de specifikke miRNA ikke øget klinisk værdi [30].

Overordnet bringer de nye teknologier og de epigenetiske datasæt ny viden om sædcellens biologi, dens reproduktive potentiale og dens potentielle indflydelse på den næste generations helbred. De nye studier viser, at sædcellens epigenetik kan associeres til både livsstil og fertilitet, men der er på nuværende tidspunkt ikke studier med mennesker, hvor man kan bekræfte kausaliteten mellem livsstil, sædcellens epigenetik og fertilitet. Det bliver spændende at følge, om man i nye studier vil påvise, hvordan de nye diagnostiske alternativer som epigenetiske test kan supplere den kliniske udredning hos infertile par, og det bliver spændende at følge, om de i fremtiden kan forbedre det kliniske udfald ved at personalisere behandlinger eller livsstilsændringer.

Korrespondance: Emil Andersen. E-mail: andersen@sund.ku.dk

Antaget: 7. juni 2018

Publiceret på Ugeskriftet.dk: 20. august 2018

Interessekonflikter: