La spermatogenesi coinvolge l’azione aggregata di 2300 geni, ognuno dei quali potrebbe potenzialmente fornire obiettivi per test diagnostici dell’infertilità maschile. Contrariamente all’ipotesi della variante comune precedentemente proposta per le malattie comuni come l’infertilità maschile, gli studi di associazione genome-wide e il sequenziamento del gene mirato in coorti di uomini infertili hanno identificato solo alcuni polimorfismi genici associati alla sterilità maschile. Sfortunatamente, la ricerca di varianti genetiche associate all’infertilità maschile è ulteriormente ostacolata dalla mancanza di modelli animali vitali di spermatogenesi umana, dalla difficoltà nel fenotipizzare gli uomini infertili e dalla complessità degli studi genealogici sull’infertilità maschile. In questa recensione, descriviamo i principi genetici di base coinvolti nella comprensione delle basi genetiche dell’infertilità maschile ed esaminiamo l’utilità e il corretto uso clinico dei test genetici provati dell’infertilità maschile, in particolare microdelezioni del cromosoma Y, traslocazioni cromosomiche, cariotipo, fibrosi cistica conduttanza transmembrana analisi della mutazione del regolatore e test genetici dello sperma. Sfortunatamente, questi test sono solo in grado di diagnosticare la causa di circa il 20% dell’infertilità maschile. Il resto della revisione sarà dedicato all’esame di nuovi test e strumenti diagnostici che hanno il potenziale per spiegare l’altro 80% dell’infertilità maschile che è attualmente classificata come idiopatica. Questi test comprendono l’analisi epigenetica degli spermatozoi e la valutazione di varianti genetiche rare e la variazione del numero di copie nei pazienti. Il successo nel progredire verso l’implementazione di tali aree non dipende solo dai progressi tecnologici in laboratorio, ma anche dal miglioramento della fenotipizzazione in clinica.

Introduzione

Il dogma centrale della biologia, il DNA è trascritto in RNA che viene poi tradotto in proteine ​​che formano i mattoni della vita, ha guidato la ricerca biologica e medica per più di cinquant’anni. Una grande percentuale dei progressi in quel tempo, e specialmente nei primi quattro decenni, provengono da studi “a valle” di proteine ​​e altre molecole; tuttavia, è chiaro che siamo ora in un’era di genetica e genomica, e importanti progressi sono stati compiuti nella comprensione del ruolo delle varianti di DNA e RNA nella sterilità maschile. Sebbene solo una piccola parte dei codici del DNA per le proteine ​​(geni), i recenti dati dello studio ENCODE indicano che vaste distese di regioni intergeniche del genoma non sono “DNA spazzatura” come si pensava in precedenza, ma includono regioni regolatorie chiave dell’espressione genica che cominciano a essere capiti (Myers et al., 2011). Progressi come questi stanno accelerando la nostra comprensione delle cause genetiche della malattia, inclusa l’infertilità maschile, e insieme ai progressi tecnologici portiamo grandi progressi nella diagnosi e nel trattamento dell’infertilità maschile.

I disturbi cromosomici derivano da un’anomalia (inclusa perdita o guadagno) di uno o più dei 46 cromosomi (Massart et al., 2012). Le anomalie cromosomiche numeriche consistono o nella poliploidia, un numero cromosomico che è un multiplo di 23, o aneuploidia, un guadagno o una perdita di uno o più cromosomi, come la trisomia 21. Il mosaicismo risulta quando una miscela di linee cellulari, con diversi complementi cromosomici, esistono nello stesso individuo La sindrome di Klinefelter (KS) o 47, XXY è un classico esempio di un disturbo cromosomico aneuploide numerico in cui il mosaicismo è comune (Bojesen & Gravholt, 2007). Qui, i pazienti del mosaico Klinefelter sarebbero 47, XXY / 46, XY. Le patologie cromosomiche microscopiche o submicroscopiche sono definite da errori che non consistono nella perdita o nel guadagno di un intero cromosoma, solo parti di esso. Questi disturbi derivano spesso dal riarrangiamento di blocchi di DNA o “ripetizioni a bassa copia” lunghi 10-400 kb, con sequenze parzialmente identiche che sono disperse nel cromosoma e costituiscono il 5% del genoma umano (Vogt, 2005a, b; Hartl & Clark, 2007; Vogt et al., 2008). Le delezioni di parte del cromosoma Y, o “microdelezioni” del cosiddetto fattore azoospermia (AZF), sono un classico esempio di disturbo cromosomico submicroscopico (Vogt, 2005a, b).

I disturbi non mendeliani rappresentano la maggioranza delle malattie umane, inclusa la maggior parte delle forme di infertilità maschile apparente, ma sfortunatamente la nostra capacità di trarre conclusioni di ampia portata applicabili alla maggior parte degli uomini con infertilità maschile è limitata. Stiamo solo imparando come i 2300 geni necessari per la spermatogenesi lavorano insieme per consentire la fertilità nel maschio sano (Gibson, 2010). Lo studio della spermatogenesi richiede di districare l’impatto di questi geni, ognuno dei quali può avere solo un contributo molto piccolo al potenziale riproduttivo dell’uomo o può essere influenzato da polimorfismi di altri geni. Gli studi sull’infertilità maschile sono stati limitati da tre fattori principali. In primo luogo, i progressi sono stati rallentati dalla difficoltà di condurre studi genealogici basati sull’albero genealogico sull’infertilità o sulla subfertilità dei fattori maschili a causa della natura della condizione che si traduce in un’eliminazione di queste mutazioni dal pool genico. In secondo luogo, è probabile che rari polimorfismi a singolo nucleotide (SNP) e varianti del numero di copie (CNV), sebbene siano tutti rari su base individuale, contribuiscono collettivamente a spiegare una porzione significativa dell’infertilità maschile che è attualmente classificata come idiopatica. Pertanto, studi di sequenziamento sofisticati e su larga scala sono essenziali per comprendere una grande percentuale di eziologie. Terzo, la mancanza di coorti di uomini ben fenotipizzati, inclusi fattori ambientali profondi, con fertilità provata o classi di infertilità rende impossibile approfondire le basi genetiche della malattia anche se si intraprendono studi genetici su larga scala. Infine, il lavoro in corso ha dimostrato che i cambiamenti genetici ed epigenetici si accumulano negli spermatozoi con l’avanzare dell’età paterna (Hu et al., 2012a, b. Kong et al., 2012). Questo è ancora un altro esempio della natura eterogenea della qualità dello sperma e della necessità di un’analisi rigorosa di più fattori. Pertanto, è probabile che solo attraverso grandi coorti di uomini ben-fenotipizzati, sperma e istologia testicolare, inizieremo a essere in grado di offrire una visione di questa complessa condizione per i nostri pazienti.

Il campo emergente dell’epigenetica spermatica

Una delle aree più promettenti per i futuri progressi nella comprensione dell’infertilità maschile è nell’area dell’epigenetica. L’epigenetica comporta cambiamenti non codificanti del genoma, principalmente attraverso modifiche di metilazione a basi di citosina del DNA e una serie di modifiche chimiche agli istoni. Queste modifiche chimiche al DNA e agli istoni possono reprimere o attivare la trascrizione. Recenti studi hanno dimostrato che i profili epigenetici spermatici possono non solo influenzare lo sviluppo embrionale precoce, ma possono anche essere un record storico di spermatogenesi e un legame importante tra le influenze ambientali sul potenziale riproduttivo (Carrell, 2012).

Gli spermatozoi di uomini fertili hanno dimostrato che le modificazioni degli istoni nei geni fondamentali dello sviluppo, nei geni imprintati e nei microRNA hanno un unico “equilibrio bivalente” simile alle cellule staminali, ed è stato proposto che questo meccanismo di equilibrio sia importante per l’embriogenesi normale (Hammoud et al., 2009, 2011; Jenkins & Carrell, 2012). Modifiche aberrazioni dell’istone sono state descritte in pazienti che presentano una embriogenesi consistente in embrioni derivati ​​dalla fecondazione in vitro (Hammoud et al., 2011; Aston et al., 2012; Montjean et al., 2013). Oltre ad essere osservati in pazienti con embriogenesi povera, è stata dimostrata una metilazione aberrante di dinucleotidi CpG in numerosi studi sui pazienti con infertilità con oligozoospermia e / o con l’imballaggio modificato della cromatina (Marques et al., 2008; Kobayashi et al., 2009; Hammoud et al., 2010, 2011; Aston et al., 2012). La maggior parte degli studi si è concentrata sul rischio di segni epigenetici anomali nei geni imprinted, ma è importante notare che segni epigenetici aberranti sono stati osservati anche in vari geni, compresi i geni dello sviluppo (Aston et al., 2012; Jenkins & Carrell, 2012) .

Una delle conseguenze più intriganti e importanti della comprensione dell’epigenoma spermatico è il potenziale che rappresenti il ​​legame principale tra le influenze ambientali e la fertilità alterata. Poiché l’epigenoma è transitorio e probabilmente influenzato da una miriade di influenze ambientali, numerosi fattori sono di vivo interesse, tra cui età, dieta, esposizioni, medicinali e integratori (Cortessis et al., 2012). Ad esempio, è stato recentemente dimostrato che durante l’invecchiamento paterno si verificano cambiamenti consistenti nella metilazione del DNA dello sperma, una scoperta particolarmente interessante dati recenti che dimostrano un aumento del rischio di alcuni disturbi neuropsichiatrici a discendenti di padri anziani (Balasch & Gratacos, 2011; Jenkins et al., 2013). Questo esempio evidenzia il potenziale di nuove scoperte di influenze ambientali non solo sul rischio di infertilità, ma anche sul rischio aumentato per la prole.

L’implementazione clinica dei test epigenetici è promettente, ma non sono stati ancora riportati studi di validazione essenziali. Tuttavia, è probabile che la profilazione epigenetica degli spermatozoi da uomini infertili possa essere utile nel prossimo futuro in molti aspetti, compresa la valutazione del potenziale degli spermatozoi di contribuire alla normale embriogenesi e nella valutazione dei rischi associati alle esposizioni ambientali. Se il profilo epigenetico degli spermatozoi può anche aiutare a comprendere le basi eziologiche della spermatogenesi alterata, resta da determinare, ma data la “documentazione storica” ​​della spermatogenesi contenuta nell’epigenoma spermatico, tale potenziale test è intrigante (Hammoud et al., 2009).

Dott. Andrea Militello
Medico specializzato in Urologia e Andrologia. Ecografista ed esperto in fisiopatologia della riproduzione umana.

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