Geny i dieta mogą wspólnie wpływać na nasilenie niepłodności męskiej

Dieta bogata w tłuszcz i cukry może nasilać zaburzenia płodności wynikające z określonej predyspozycji genetycznej – wskazują wyniki eksperymentalnego badania przeprowadzonego na myszach z utratą funkcji genu M1ap. Naukowcy wykazali, że zarówno zmiana genetyczna, jak i dieta typu zachodniego niezależnie pogarszały płodność, ale połączenie obu czynników prowadziło do znacznie cięższego fenotypu. Wyniki opublikowane w czasopiśmie Human Reproduction wskazują na możliwość interakcji między uwarunkowaniami genetycznymi a czynnikami środowiskowymi w etiologii niepłodności męskiej. Badanie przeprowadzono jednak na modelu zwierzęcym, dlatego jego wyników nie można bezpośrednio przenosić na mężczyzn.

W artykule:

• jak badacze połączyli model utraty funkcji M1ap z dietą typu zachodniego,
• jak genotyp i dieta wpływały na płodność badanych samców,
• jak zmieniały się spermatogeneza, morfologia i ruchliwość plemników,
• dlaczego połączenie obciążenia genetycznego i dietetycznego dawało cięższy fenotyp,
• jakie znaczenie wyniki mogą mieć dla badań nad niepłodnością męską,
• dlaczego przed formułowaniem zaleceń dla ludzi potrzebne są dalsze badania kliniczne.

Genetyczne podłoże nie zawsze wystarcza do wyjaśnienia nasilenia niepłodności

Badanie przeprowadzili naukowcy związani m.in. z School of BioSciences i Bio21 Molecular Science and Biotechnology Institute, The University of Melbourne oraz Institute of Reproductive Genetics, Centre of Medical Genetics, University of Münster. Wśród autorów znaleźli się Brendan J. Houston, Joseph Nguyen, Nadja Rotte, Frank Tüttelmann, Corinna Friedrich, D. Jo Merriner, Anne E. O’Connor, Moira K. O’Bryan i Jessica E. M. Dunleavy. Moira K. O’Bryan oraz Jessica E. M. Dunleavy były współautorkami senioralnymi pracy.

Punktem wyjścia było pytanie, dlaczego u osób z podobnymi niekorzystnymi wariantami genetycznymi nasilenie zaburzeń płodności może być bardzo różne. Autorzy skoncentrowali się na genie M1AP, którego utrata funkcji jest związana z zaburzeniami męskiej płodności. U mężczyzn ze szkodliwymi wariantami tego genu obserwuje się zróżnicowany obraz kliniczny – od bardzo małej liczby plemników do ich całkowitego braku.

Zdaniem badaczy sama obecność wariantu genetycznego może zatem nie wyjaśniać całego fenotypu. Jedną z możliwości jest wpływ dodatkowych czynników środowiskowych i związanych ze stylem życia. W prezentowanym badaniu takim czynnikiem była dieta typu zachodniego, charakteryzująca się wysoką zawartością tłuszczu i cukrów.

Jak przeprowadzono badanie?

Było to eksperymentalne badanie na myszach C57BL6/J. Naukowcy wykorzystali zwierzęta typu dzikiego M1ap^+/+ oraz myszy z wyłączonym genem M1ap – M1ap^-/-. Model utraty funkcji został skonstruowany w taki sposób, aby odtwarzać biologiczne konsekwencje uszkadzających wariantów M1AP występujących u części mężczyzn z niepłodnością.

Badacze oceniali osobno i łącznie wpływ genotypu oraz sposobu żywienia. Zwierzęta otrzymywały dietę kontrolną albo dietę typu zachodniego o wysokiej zawartości tłuszczu i cukrów. W diecie zachodniej 21% stanowił tłuszcz, 34,1% cukry, a 19% białko.

W podstawowej części eksperymentu analizowano młode samce. Płodność oceniano po osiągnięciu około 10 tygodni życia, natomiast szczegółowe badania wykonywano około 12. tygodnia. W pracy uwzględniono również osobną kohortę starszych zwierząt, wykorzystywaną do oceny wpływu wieku i genotypu.

Analizowano rzeczywistą płodność samców, liczbę potomstwa, histologię jąder i najądrzy oraz parametry jakości plemników. Oceniano m.in. ich liczbę, morfologię, całkowitą ruchliwość i ruchliwość progresywną.

Zarówno utrata funkcji M1ap, jak i dieta zachodnia zmniejszały płodność

Już sama utrata funkcji M1ap istotnie wpływała na zdolność reprodukcyjną zwierząt. Samce M1ap^-/- otrzymujące dietę kontrolną miały średnio 2,5 potomka w miocie, podczas gdy u zwierząt typu dzikiego na diecie kontrolnej było to 8,25. Oznaczało to około 70-procentowe zmniejszenie liczebności miotu. Różnica była statystycznie istotna, z wartością p<0,0001.

Utrata funkcji M1ap wiązała się także z około 50-procentowym zmniejszeniem częstości uzyskania ciąży po skutecznym kryciu.

Dieta typu zachodniego wpływała na płodność również u zwierząt bez zmiany genetycznej. Samce M1ap^+/+ otrzymujące dietę zachodnią miały średnio 5,2 potomka w miocie wobec 8,25 w grupie kontrolnej. Odpowiadało to zmniejszeniu liczebności miotu o około 37% (p=0,015). W tej grupie nie stwierdzono jednak wpływu diety na częstość uzyskania ciąży.

Połączenie predyspozycji genetycznej i diety dawało znacznie cięższy fenotyp

Najbardziej wyraźne różnice pojawiły się w grupie, w której utrata funkcji M1ap współistniała z dietą typu zachodniego.

Samce M1ap^-/- na diecie kontrolnej miały średnio 2,5 potomka w miocie. Po zastosowaniu diety zachodniej wartość ta zmniejszyła się do zaledwie 0,37 potomka na miot (p=0,015). W porównaniu z myszami typu dzikiego otrzymującymi dietę kontrolną oznaczało to około 98-procentowe zmniejszenie liczebności miotu.

W grupie łączącej utratę funkcji M1ap z dietą zachodnią częstość uzyskania ciąży była ponadto o 82% niższa niż w grupie zwierząt typu dzikiego karmionych dietą kontrolną.

Autorzy interpretują te wyniki jako dowód na niekorzystną interakcję między czynnikiem genetycznym a środowiskowym. Obciążenie dietetyczne nie tylko działało równolegle do zmiany genetycznej, ale w przypadku części ocenianych parametrów dodatkowo pogłębiało nieprawidłowości obecne u zwierząt pozbawionych prawidłowej funkcji M1ap.

Zmiany obejmowały spermatogenezę i budowę komórek rozrodczych

Analiza histologiczna jąder potwierdziła istotne zaburzenia spermatogenezy u myszy M1ap^-/-. Utrata funkcji genu była związana m.in. z nieprawidłowościami komórek płciowych, zaburzeniami mejozy, złuszczaniem komórek płciowych i wakuolizacją nabłonka kanalików nasiennych.

Dieta typu zachodniego dodatkowo nasilała część tych nieprawidłowości. U myszy M1ap^-/- otrzymujących taką dietę częstość występowania nieprawidłowych komórek płciowych była o 25% większa niż u zwierząt z tym samym genotypem otrzymujących dietę kontrolną (p=0,0031).

Jeszcze wyraźniejszą różnicę stwierdzono w odniesieniu do złuszczania komórek płciowych. W grupie M1ap^-/- na diecie zachodniej zjawisko to występowało o 127% częściej niż u myszy M1ap^-/- otrzymujących dietę kontrolną (p=0,0003).

Dieta nasilała również wakuolizację nabłonka kanalików nasiennych u zwierząt pozbawionych prawidłowej funkcji M1ap.

Morfologia plemników wyraźnie pogarszała się przy połączeniu obu czynników

Istotnych informacji dostarczyła analiza plemników. U myszy typu dzikiego na diecie kontrolnej prawidłową morfologię główki stwierdzano u 94% plemników. W przypadku zwierząt M1ap^-/- na diecie kontrolnej odsetek ten wynosił już tylko 52%.

Sama dieta zachodnia nie powodowała istotnego pogorszenia morfologii plemników u myszy typu dzikiego. Sytuacja zmieniała się jednak przy współistniejącej utracie funkcji M1ap. W grupie M1ap^-/- otrzymującej dietę zachodnią prawidłową morfologię miało jedynie 36% plemników. Wynik był istotnie gorszy niż we wszystkich pozostałych analizowanych grupach.

Oznacza to, że wpływ diety zależał w tym przypadku od genotypu. Czynnik dietetyczny, który nie powodował istotnych zmian morfologii u zwierząt typu dzikiego, wyraźnie nasilał już istniejący defekt związany z utratą funkcji M1ap.

Dieta dodatkowo pogarszała ruchliwość progresywną plemników

Utrata funkcji M1ap wpływała także na ruchliwość plemników. W grupie na diecie kontrolnej ruchliwość progresywna wynosiła 59% u zwierząt typu dzikiego oraz 46% u myszy M1ap^-/- (p=0,001).

Dieta zachodnia nie powodowała istotnej zmiany tego parametru u myszy typu dzikiego. Natomiast u zwierząt M1ap^-/- obniżała ruchliwość progresywną z 46% do 38% (p=0,007).

Nie wszystkie parametry pogarszały się jednak w podobny sposób. Dieta zachodnia nie powodowała dalszego istotnego zmniejszenia całkowitej ruchliwości plemników u zwierząt M1ap^-/-. Nie pogłębiała również w sposób statystycznie istotny obniżonej dobowej produkcji plemników ani zmniejszonej liczby plemników w najądrzach związanych z utratą funkcji M1ap.

Ta obserwacja jest istotna dla interpretacji wyników. Badanie nie wskazuje na jednakowe nasilenie wszystkich cech fenotypu przez dietę. Interakcja genotypu i sposobu żywienia była widoczna szczególnie w odniesieniu do określonych elementów spermatogenezy, morfologii plemników, ich ruchliwości progresywnej i ostatecznego wyniku reprodukcyjnego.

Dlaczego M1AP może mieć znaczenie dla płodności?

M1AP jest białkiem związanym z przebiegiem mejozy komórek płciowych. W zastosowanym modelu brak prawidłowej funkcji M1ap prowadził do zaburzeń dojrzewania komórek płciowych i ograniczenia spermatogenezy.

W komunikacie University of Melbourne badacze zwracają uwagę, że szkodliwe warianty M1AP są jedną z relatywnie częściej rozpoznawanych genetycznych przyczyn niepłodności męskiej, ale obraz kliniczny u ich nosicieli może być zróżnicowany. Może obejmować bardzo małą liczbę plemników, a w cięższych przypadkach ich całkowity brak.

Wyniki obecnego eksperymentu wspierają hipotezę, zgodnie z którą część tej zmienności może zależeć od dodatkowych czynników środowiskowych lub związanych ze stylem życia. W takim modelu określony genotyp tworzyłby podatność na zaburzenia płodności, natomiast dodatkowe niekorzystne ekspozycje mogłyby wpływać na nasilenie fenotypu.

Badacze mówią o możliwym „progu” płodności

Autorzy zwracają uwagę na koncepcję funkcjonalnego progu płodności. Predyspozycja genetyczna może obniżać wyjściową sprawność układu rozrodczego, nie prowadząc u każdego osobnika do jednakowego stopnia zaburzeń. Dodatkowy niekorzystny czynnik może następnie przesunąć parametry reprodukcyjne poniżej poziomu pozwalającego na uzyskanie naturalnej ciąży.

W prezentowanym modelu zwierzęcym szczególnie dobrze ilustrowała to liczba potomstwa. Myszy z utratą funkcji M1ap zachowywały częściową płodność przy diecie kontrolnej, ale połączenie tego samego genotypu z dietą zachodnią prowadziło do bardzo silnego ograniczenia sukcesu reprodukcyjnego.

Znaczenie dla medycyny człowieka wymaga potwierdzenia

Najważniejszym ograniczeniem badania jest zastosowanie modelu mysiego. Chociaż model M1ap^-/- został zaprojektowany w celu odtworzenia biologicznych konsekwencji uszkadzających wariantów M1AP obserwowanych u mężczyzn, nie oznacza to, że zależności ilościowe obserwowane u myszy będą takie same u ludzi.

Autorzy wprost zaznaczają, że wyniki powinny zostać zweryfikowane w kohortach ludzkich. Badanie nie dowodzi więc, że zmiana diety poprawi płodność mężczyzn z wariantami M1AP, ani nie określa skuteczności konkretnej interwencji dietetycznej.

Wyniki dostarczają natomiast podstaw biologicznych do dalszego badania interakcji między genetycznymi przyczynami niepłodności a sposobem żywienia i innymi ekspozycjami środowiskowymi. Autorzy wskazują, że taki kierunek badań może w przyszłości pomóc lepiej wyjaśniać różnice w nasileniu zaburzeń płodności u pacjentów z podobnym podłożem genetycznym.

W kierunku bardziej złożonego modelu niepłodności męskiej

Jessica E. M. Dunleavy zwróciła uwagę, że czynniki środowiskowe i związane ze stylem życia, w tym dieta, mogą przyczyniać się do różnic w nasileniu zaburzeń obserwowanych u osób z podobnym podłożem genetycznym. Według badaczy genetyka może określać obniżony wyjściowy poziom płodności i predyspozycję do niepłodności, natomiast styl życia może modyfikować ciężkość fenotypu.

Moira K. O’Bryan podkreśliła natomiast potrzebę jednoczesnego uwzględniania czynników genetycznych i związanych ze stylem życia podczas poszukiwania przyczyn niepłodności męskiej.

Autorzy traktują uzyskane wyniki jako badanie typu proof-of-concept. Wskazują one, że etiologia części przypadków niepłodności może być wynikiem interakcji wielu czynników, a nie konsekwencją wyłącznie pojedynczej mutacji lub pojedynczej ekspozycji środowiskowej.

Źródło: Human Reproduction, A Western-style diet exacerbates male infertility in M1ap knockout mice
DOI: https://doi.org/10.1093/humrep/deag130