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Insights Genéticos sobre Infertilidade Masculina: O Papel do TCTE1

Estudo revela como o gene TCTE1 afeta a qualidade do esperma e a fertilidade.

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A Infertilidade é uma preocupação crescente para muitos casais tentando ter filhos. Segundo organizações de saúde, cerca de 10-18% dos casais têm dificuldades para engravidar após um ano de relações sexuais desprotegidas. Problemas relacionados à fertilidade masculina representam uma parte significativa desses casos, com cerca de 7% dos homens enfrentando desafios reprodutivos. A infertilidade masculina pode surgir de vários fatores, incluindo questões genéticas, problemas hormonais, infecções e anomalias estruturais no trato reprodutivo.

O Básico da Infertilidade Masculina

A infertilidade masculina geralmente é caracterizada por uma diminuição na qualidade do sêmen. Os principais indicadores incluem a concentração de Esperma, a forma dos espermatozoides (morfologia) e a capacidade de movimentação dos espermatozoides (Motilidade). Vários estudos mostraram que problemas genéticos podem estar ligados a cerca de 10-15% dos casos de infertilidade masculina. No entanto, para muitos homens, as razões para a infertilidade ainda são um mistério.

Teste genético para infertilidade masculina frequentemente busca anomalias cromossômicas ou deleções específicas em regiões do cromossomo Y que afetam a produção de espermatozoides. Apesar desses esforços, a maioria dos genes envolvidos no desenvolvimento e na função dos espermatozoides ainda não é bem compreendida.

Novas Tecnologias na Pesquisa

Avanços recentes na tecnologia, como o sequenciamento de nova geração (NGS), forneceram novas maneiras de analisar as bases genéticas da infertilidade masculina. Pesquisadores agora conseguem sequenciar grandes quantidades de DNA e RNA de amostras humanas e modelos animais, como camundongos, para identificar potenciais causas genéticas da infertilidade.

A Importância do Movimento dos Espermatozoides

Um fator crítico na fertilidade masculina é a motilidade dos espermatozoides, que depende em grande parte da estrutura conhecida como flagelo. Essa estrutura precisa ser de alta qualidade para garantir que os espermatozoides consigam nadar efetivamente até o óvulo para fertilizá-lo.

Mutations em genes responsáveis pela estrutura e função dos espermatozoides podem levar a anomalias tanto na forma quanto no movimento deles. Por exemplo, problemas com os braços de dineína, que são proteínas que ajudam no movimento dos cílios e flagelos, podem causar diminuição da motilidade e defeitos estruturais nos espermatozoides.

O Papel do TCTE1

O TCTE1 é um gene que recentemente chamou atenção devido ao seu potencial papel na infertilidade masculina. Ele está implicado no funcionamento da cauda do espermatozoide e pode influenciar o quão bem os espermatozoides conseguem nadar. Pesquisadores usaram modelos de camundongos, especificamente camundongos knockout que não têm o gene TCTE1, para determinar seu impacto na fertilidade.

Nos estudos, camundongos sem TCTE1 apresentaram fertilidade reduzida, mostrando que esse gene é essencial para o funcionamento adequado dos espermatozoides. Camundongos knockout homozigotos (aqueles que não têm o gene) mostraram problemas significativos de motilidade dos espermatozoides, enquanto camundongos heterozigotos (aqueles com uma cópia funcional) ainda conseguiram ter filhotes, mesmo com qualidade do esperma reduzida.

Modelos de Camundongos: Insights sobre a Infertilidade Humana

Pesquisas usando modelos de camundongos permitem que os cientistas observem os efeitos de deleções genéticas específicas na reprodução. Nesses estudos, os pesquisadores criaram diferentes grupos de camundongos com cópias variadas do gene TCTE1. As descobertas indicaram que camundongos mutantes passaram por mudanças nos parâmetros do esperma, como redução da concentração de espermatozoides e morfologia anormal.

Mudanças na Estrutura Testicular

Ao examinar o tecido testicular desses camundongos, os cientistas descobriram que aqueles sem TCTE1 não mostraram anomalias estruturais visíveis. No entanto, diferenças significativas foram notadas no peso e tamanho dos testículos, destacando uma possível ligação entre TCTE1 e a saúde reprodutiva geral.

A Relação entre Genes e Qualidade do Sêmen

Uma análise mais aprofundada do tecido testicular revelou alterações na expressão de vários genes devido à ausência do TCTE1. Essa mudança genética levou a uma diminuição de fatores vitais para a produção e movimentação dos espermatozoides, afetando a capacidade de natação em direção ao óvulo.

Técnicas de Análise do Sêmen

Para avaliar a qualidade do esperma, os pesquisadores realizaram vários testes, incluindo a contagem do número de espermatozoides e a análise de seu movimento. Nos estudos, camundongos knockout mostraram uma queda dramática na motilidade e concentração dos espermatozoides, levando ao que é chamado de oligoasthenoteratozoospermia (uma condição com baixa contagem de espermatozoides, má motilidade e forma anormal).

O Papel do ATP na Função dos Espermatozoides

ATP, ou trifosfato de adenosina, é uma molécula de energia essencial para as células, incluindo os espermatozoides. A produção de ATP ocorre nas mitocôndrias dos espermatozoides, especialmente na cauda, onde impulsiona o movimento dos espermatozoides. A medição dos níveis de ATP no sêmen de camundongos knockout para TCTE1 indicou uma redução significativa, sugerindo que deficiências energéticas contribuem para problemas de motilidade.

Apoptose e Saúde dos Espermatozoides

A apoptose, ou morte celular programada, é um processo crucial para manter populações celulares saudáveis, incluindo aquelas nos testículos. O estudo de marcadores de apoptose no tecido testicular revelou que camundongos knockout para TCTE1 mostraram níveis de apoptose semelhantes em comparação com grupos controle, sugerindo que a perda do TCTE1 não leva inherentemente a um aumento na morte celular.

Investigando Amostras Humanas

Além dos estudos em animais, pesquisadores também examinaram amostras humanas de homens inférteis. Alguns indivíduos apresentaram variantes genéticas raras no gene TCTE1, ligando essas mutações a uma gama de anomalias no esperma. Isso sugere uma potencial base genética para a infertilidade masculina em humanos relacionada ao TCTE1.

Implicações para Pesquisas Futuras

As descobertas sobre o TCTE1 ressaltam a complexidade da infertilidade masculina, indicando que uma combinação de fatores genéticos e ambientais contribui para os desafios reprodutivos. Mais estudos são necessários para desvendar as intrincadas redes de genes envolvidos no desenvolvimento e função dos espermatozoides, o que pode levar a novos tratamentos para a infertilidade masculina.

Conclusão

O estudo da infertilidade masculina é vital para abordar as preocupações de casais tentando conceber. Compreender os fatores genéticos, como os envolvendo o TCTE1, oferece insights sobre as complexidades da saúde reprodutiva. A pesquisa contínua nessa área pode levar a diagnósticos melhores e terapias para aqueles que sofrem de infertilidade, ressaltando a importância da genética no sucesso reprodutivo.

Fonte original

Título: Tcte1 knockout influence on energy chain transportation, apoptosis and spermatogenesis - implications for male infertility

Resumo: STUDY QUESTIONIs Tcte1 mutation causative for male infertility? SUMMARY ANSWERCollected data underline the complex and devastating effect of the single-gene mutation on testicular molecular network, leading to male reproductive failure. WHAT IS KNOWN ALREADYLatest data revealed mutations in genes related to axonemal dynein arms as causative for morphology and motility abnormalities in spermatozoa of infertile males, including dysplasia of fibrous sheath (DFS) and multiple morphological abnormalities in the sperm flagella (MMAF). The nexin-dynein regulatory complex (N-DRC) coordinates the dynein arm activity, and is built from DRC1-DRC7 proteins. DRC5 (TCTE1) - one of N-DRC element, has been already reported as a candidate for abnormal sperm flagella beating, however, only in restricted manner with no clear explanation of respective observations. STUDY DESIGN, SIZE, DURATIONUsing CRISPR/Cas9 genome editing technique, mouse knockout line of Tcte1 gene was created on the basis of C57Bl/6J strain. Then, the mouse reproductive potential, semen characteristics, testicular gene expression level, sperm ATP and testis apoptosis level measurements have been performed, followed by visualization of N-DRC proteins in sperm, and protein modeling in silico. Also, a pilot genomic sequencing study of samples from human infertile males (n=248) was applied for screening of TCTE1 variants. PARTICIPANTS/MATERIALS, SETTING, METHODSTo check the reproductive potential of KO mice, adult animals were crossed for delivery of three litters per caged pair, but no longer than for 6 months, in various combinations of zygosity. All experiments were performed for wild type (WT - control group), heterozygous Tcte1+/-, and homozygous Tcte1-/- male mice. Gross anatomy was performed on testis and epididymis, followed by semen analysis. Sequencing of RNA (RNAseq; Illumina) has been done for mice testis tissues. STRING interactions have been checked for protein-protein interactions, based on changed expression level of corresponding genes identified in the mouse testis RNAseq experiments. Immunofluorescence in situ staining was performed to detect the N-DRC complex proteins: Tcte1 (Drc5), Drc7, Fbxl13 (Drc6), and Eps8l1 (Drc3) in mouse spermatozoa. To determine the ATP amount in spermatozoa, the luminescence level was measured. Also, immunofluorescent in situ staining was performed to check the level of apoptosis via caspase 3 visualization on mouse testis samples. DNA from whole blood samples of infertile males (n=137 non-obstructive azoospermia or cryptozoospermia, n=111 samples with spectrum of oligoasthenoteratozoospermia, including n=47 with asthenozoospermia) has been extracted to perform genomic sequencing (WGS, WES or Sanger). Protein prediction modeling of human identified variants and the exon 3 structure deleted in mouse knockout has been also performed. MAIN RESULTS AND THE ROLE OF CHANCENo progeny at all was found for homozygous males with revealed oligoasthenoteratozoospermia, while heterozygous animals (fertile) manifested oligozoospermia, suggesting haploinsufficiency. RNA-sequencing of the testicular tissue showed the influence of Tcte1 mutations on the expression pattern of 21 genes responsible for mitochondrial ATP processing, linked with apoptosis, or spermatogenesis. In Tcte1-/- males the protein revealed only residual amounts in sperm head nucleus, and was not transported to sperm flagella, as other N-DRC components. Decreased ATP level (2.4-fold lower) was found in spermatozoa of homozygous mice, together with disturbed tail:midpiece ratio, leading to abnormal sperm tail beating. Casp3-positive signals (indicating apoptosis) were observed in spermatogonia only, at similar level in all three mouse genotypes. Mutation screening of human infertile males revealed 1 novel and 5 ultrarare heterogeneous variants (predicted as disease causing) in 6.05% of patients studied. Protein prediction modeling of identified variants revealed changes in the protein surface charge potential, leading to disruption in helix flexibility or its dynamics, thus, suggesting the disrupted TCTE1 interaction with its binding partners located within the axoneme. What does this mean for patients?Abnormal semen parameters (sperm count, motility and morphology) are known as one of the first symptoms that may be related to male fertility problems. This study aimed to determine the role of Tcte1 in male infertility using mouse knockout model. Tcte1 protein is one of the structural elements building N-DRC, a complex within an axoneme that is responsible for coordination of the sperm flagella elements activity, strictly related to sperm motility. We have found that mutations in mouse Tcte1 knockout model revealed two phenotypes, dependent on zygosity: infertile oligoasthenoteratozoospermic homozygotes, and fertile oligozoospermic heterozygotic males, suggesting haploinsufficiency mechanism. Pilot study on human samples with TCTE1 variants revealed a wide spectra of semen quality (from non-obstructive azoospermia, via cryptozoospermia, to severe oligoasthenozoospermia). Thus, TCTE1 gene is the next one that should be added to the male infertility list because of its crucial role in spermatogenesis influencing the variety of testicular molecular networks (incl. energy machinery processing) and proper sperm function.

Autores: Maciej Krzysztof Kurpisz, M. Olszewska, A. Malcher, T. Stokowy, N. Pollock, A. J. Berman, S. Budkiewicz, M. Kamieniczna, H. Jackowiak, J. Suszynska-Zajczyk, P. Jedrzejczak, A. N. Yatsenko

Última atualização: 2024-02-16 00:00:00

Idioma: English

Fonte URL: https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2022.11.17.22282339

Fonte PDF: https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2022.11.17.22282339.full.pdf

Licença: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

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