Ученые обнаружили механизм эпигенетического влияния стресса на сперму и развитие зародыша. В ответ на хронический стресс во внеклеточных везикулах эпителиальных клеток придатка яичка изменялся состав микроРНК и белков, эти структуры в свою очередь влияли на микроРНК сперматозоидов, что наблюдали в сперме людей и мышей. Такое воздействие развивалось в течение продолжительного периода после стресса и влияло на развитие нервной системы и реакцию на стресс у потомства. Статья опубликована в журнале Nature Communications.

Условия, в которых развивались половые клетки до зачатия, существенно влияют на развитие плода. Влияние неблагоприятных условий, в которых находится организм, будь то стресс, диета или наркотики, на сперму, обнаружили в ряде предыдущих исследований. Однако механизм этого взаимодействия оставался неизвестным.

Посредниками влияния стресса могут являться молекулы, которые обнаруживают в сперме, например, маленькие некодирующие РНК. Однако после сперматогенеза в половых клетках не происходит транскрипция, а их ДНК компактно свернута для защиты от повреждений. Значит, должны существовать внешние, соматические, механизмы, которые бы оказывали долговременное влияние на сперму и развитие зародыша.

После сперматогенеза половые клетки продолжают формироваться в канальцах придатка яичка, там они получают соматические сигналы от окружающих тканей. Как раз здесь, через эпителиальные клетки придатка, условия, в которых существует организм, могут влиять на созревание спермы.

Один из способов межклеточной коммуникации — внеклеточные везикулы. Это маленькие пузырьки, которые переносят белки, липиды или маленькие некодирующие РНК из одной клетки в другую. Внеклеточные везикулы являются посредниками между эпителиальными клетками головки придатка яичка и спермой, они передают сигналы, важные для созревания сперматозоидов. Так организм адаптирует состояние половых клеток и последующее развитие зародыша к меняющимся условиям среды.

Дженнифер Чан (Jennifer Chan) из Пенсильванского университета и ее коллеги исследовали краткосрочное и долгосрочное влияние стресса на сперму и потомков мышей. Самцов в течение месяца вводили в состояние хронического стресса, а через одну или 12 недель спаривали их с самками. Затем оценивали, как потомство этих животных справляется со стрессом. На тех же временных отрезках у мышей брали образцы спермы и определяли в них набор микроРНК.

Чтобы сравнить наблюдаемые закономерности у мышей с человеком, ученые исследовали образцы спермы 18 студентов Пенсильванского университета. Добровольцы сдавали анализ ежемесячно и одновременно проходили психологическое обследование, в ходе которого в том числе определяли уровень стресса. По результатам психологических тестов выделили четырех студентов, уровень стресса которых был высоким в начале исследования и значительно снизился за шесть месяцев, и четырех, чей уровень стресса оставался постоянным в течение эксперимента.

Поскольку эффект стресса, который наблюдали в эксперименте, действовал в течение долгого времени, авторы работы предположили, что в соматических клетках эпидермиса придатка яичка происходят перестройки хроматина. Чтобы проверить это, с помощью масс-спектрометрии исследовали посттрансляционные модификации гистонов (белков, которые отвечают за упаковку хроматина и регулируют другие ядерные процессы).

В гетерогенных тканях в живом организме невозможно выявить внеклеточные везикулы, которые выделяют именно эпителиальные клетки придатка яичка. Поэтому ученые воспроизвели стрессовое влияние на культуре этих клеток. Для этого в течение трех дней в среду добавляли кортикостерон, гормон, который выделяется при стрессе. На разных промежутках времени после этого брали образцы внеклеточных везкул и анализировали в них состав микроРНК и белков. Затем везикулы метили красителем и вводили мышам, которые до этого не участвовали в эксперименте, чтобы узнать мишени внеклеточных везикул придатка яичка в организме.

Исследователи также проверили, как воздействие внеклеточных везикул на сперму влияет на развитие зародыша. Для этого сперматозоиды выращивали на среде, в которую добавляли внеклеточные везикулы эпителиальных клеток придатка яичка. К половине везикул перед этим в течение трех дней добавляли кортикостерон, а за тем давали восемь дней на развитие ответа, вторая половина была контролем. Сперматозоиды вводили в ооциты самок, и эмбрионы имплантировали тем же мышам. В середине беременности животных умерщвляли и изучали ткани плода.

Мыши, которые были зачаты через неделю после продолжительного стресса, не отличались от контрольных. А если самцам давали развить ответ, их потомки реагировали на стресс повышенным уровнем кортикостерона. Через неделю после воздействия состав микроРНК в сперме и модификации гистонов эпителия придатка яичка не отличались от контроля, а через 12 недель различия стали значительными.

Уровень кортикостерона в ответ на стресс в крови мышей, зачатых через одну (слева) и 12 недель после стресса. Белые точки - контроль

Jennifer Chan et al. / Nature Communications, 2020

Экспрессия микроРНК в половых клетках через одну (вторая сверху строка) и 12 (нижняя строка) дней после стресса по сравнению с контролем (первая и третья строки)

Jennifer Chan et al. / Nature Communications, 2020

Удивительно, но даже на столь небольшой выборке (четыре человека в группе) обнаружили значительные различия в составе микроРНК в сперме добровольцев, которые восстанавливались после стресса, и тех, у кого уровень стресса был постоянным (p = 0,0112). 

В культуре клеток через восемь дней после добавления кортикостерона паттерн экспрессии микроРНК и набор белков внеклеточных везикул значительно изменились по сравнению с контролем. Везикулы придатка яичка накапливались в основном в печени и селезенке, но также и в половых путях. Таким образом, внеклеточные везикулы действительно могут опосредовать влияние стресса на созревание спермы.

В мозге зародышей, которые развивались из спермы со стрессовыми внеклеточными везикулами, изменилась экспрессия генов, связанных с синаптической передачей и транспортом медиаторов. Это влияет на развитие нервной системы и функционирование мозга взрослой особи. Кроме того, ученые обнаружили изменения в транскриптоме плаценты — активность генов, которые связаны с воспалительным и иммунным ответом, была выше. Потомство, которое получили результате искусственного оплодотворения, реагировало на стресс так же несбалансированно, как и особи в первом эксперименте.

Несколько лет назад исследователи из той же группы ввелистрессовые микроРНК в оплодотворенную яйцеклетку, и это повлияло на поведение и функционирование мозга особей, которые развились из этой зиготы. На потомство влияет не только стресс самцов, но и самок — стресс в разные периоды беременности может как ускорить, так и затормозить развитие детенышей.