Молекулярная биология, 2022, T. 56, № 4, стр. 585-594

Делеция Aldh4a1 приводит к нарушению созревания сперматозоидов у мышей

Y. Xiao a, Z. Z. Wen b, B. Wu a, H. X. Zhu a, A. Z. Zhang a*, J. Y. Li c**, J. G. Gao ab***

a School of Life Science and Key Laboratory of the Ministry of Education for Experimental Teratology, Shandong University
250100 Jinan, P.R. China

b Medical Science and Technology Innovation Center, Shandong First Medical University
250117 Jinan, P.R. China

c Key Laboratory of Male Reproductive Health, Institute of Science and Technology, National Health Commission
100081 Beijing, P.R. China

* E-mail: aizhenzhang@126.com
** E-mail: sdscli@126.com
*** E-mail: jggao@sdu.edu.cn

Поступила в редакцию 09.10.2021
После доработки 09.02.2022
Принята к публикации 15.02.2022

Аннотация

ALDH4A1, член суперсемейства альдегиддегидрогеназ, является ключевым ферментом в митохондриальном пути метаболизма пролина. Недавние исследования показали, что мутации в aldh4a1 приводят к снижению фертильности и преждевременному репродуктивному старению самцов нематод. Однако влияние ALDH4A1 на фертильность самцов мышей не изучалось. В настоящем исследовании использовали технологию CRISPR-Cas9 для создания мышиной модели с нокаутом Aldh4a1, чтобы впервые изучить влияние этого гена на фертильность самцов мышей. Показано, что по сравнению с самцами дикого типа самцы Aldh4a1–/– были фертильны, имели нормальный сперматогенез, но дефект созревания сперматозоидов в эпидидимисе выражался в нарушении подвижности, морфологии и увеличении спонтанной реакции акросомы. Кроме того, с использованием трансмиссионной электронной микроскопии в митохондриях сперматозоидов обнаружены вакуоли, а также выявлены вакуоли и трещины в шейке сперматозоидов у мутантных мышей. Полученные результаты показывают, что ALDH4A1 играет жизненно важную роль в структуре жгутика сперматозоида и процессе созревания сперматозоидов у мышей.

Ключевые слова: ALDH4A1, созревание сперматозоидов, CRISPR-Cas9, митохондрии, мышиная модель

Список литературы

  1. Fainberg J., Kashanian J. (2019) Recent advances in understanding and managing male infertility. F1000Res. 8, 2 F1000 Faculty Rev-670. https://doi.org/10.12688/f1000research.17076.1

  2. Skoracka K., Eder P., Łykowska-Szuber L., Dobrowolska A., Krela-Kaźmierczak I. (2020) Diet and nutritional factors in male (in) fertility—underestimated factors. J. Clin. Med. 9(5), 1400. https://doi.org/10.3390/jcm9051400

  3. Agarwal A., Baskaran S., Parekh N., Cho C.-L., Henkel R., Vij S., Arafa M., Selvam M.K.P., Shah R. (2021) Male infertility. Lancet. 397(10271), 319‒333. https://doi.org/10.1016/S0140-6736(20)32667-2

  4. Huang C., Li B., Xu K., Liu D., Hu J., Yang Y., Nie H., Fan L., Zhu W. (2017) Decline in semen quality among 30,636 young Chinese men from 2001 to 2015. Fertil. Steril. 107(1), 83‒88. e2. https://doi.org/10.1016/j.fertnstert.2016.09.035

  5. Yoshida A., Rzhetsky A., Hsu L.C., Chang C. (1998) Human aldehyde dehydrogenase gene family. Eur. J. Biochem. 251(3), 549‒557. https://doi.org/10.1046/j.1432-1327.1998.2510549.x

  6. Yen C.A., Curran S.P. (2021) Incomplete proline catabolism drives premature sperm aging. Aging Cell. 20(2), e13308. https://doi.org/10.1111/acel.13308

  7. Jackson B., Brocker C., Thompson D.C., Black W., Vasiliou K., Nebert D.W., Vasiliou V. (2011) Update on the aldehyde dehydrogenase gene (ALDH) superfamily. Hum. Reprod. 5(4), 1‒21. https://doi.org/10.1186/1479-7364-5-4-283

  8. Muzio G., Maggiora M., Paiuzzi E., Oraldi M., Canuto R.A. (2012) Aldehyde dehydrogenases and cell proliferation. Free Radical. Biol. Med. 52(4), 735‒746. https://doi.org/10.1016/j.freeradbiomed.2011.11.033

  9. Marchitti S.A., Brocker C., Stagos D., Vasiliou V. (2008) Non-P450 aldehyde oxidizing enzymes: the aldehyde dehydrogenase superfamily. Expert. Opin. Drug. Metab. Toxicol. 4(6), 697‒720. https://doi.org/10.1517/17425255.4.6.697

  10. Yen C.-A., Ruter D.L., Turner C.D., Pang S., Curran S.P. (2020) Loss of flavin adenine dinucleotide (FAD) impairs sperm function and male reproductive advantage in C. elegans. Elife. 9, e52899. https://doi.org/10.7554/eLife.52899

  11. Xu K., Yang L., Zhang L., Qi H. (2020) Lack of AKAP3 disrupts integrity of the subcellular structure and proteome of mouse sperm and causes male sterility. Development. 147(2), dev181057. https://doi.org/10.1242/dev.181057

  12. Lehti M.S., Sironen A. (2017) Formation and function of sperm tail structures in association with sperm motility defects. Biol. Reprod. 97(4), 522‒536. https://doi.org/10.1093/biolre/iox096

  13. Amaral A., Lourenço B., Marques M., Ramalho-Santos J. (2013) Mitochondria functionality and sperm quality. Reproduction. 146(5), R163‒R174. https://doi.org/10.1530/REP-13-0178

  14. de Kretser D.M., Loveland K.L., Meinhardt A., Simorangkir D., Wreford N. (1998) Spermatogenesis. Hum. Genomics 13(suppl. 1), 1‒8. https://doi.org/10.1093/humrep/13.suppl_1.1

  15. Neto F.T.L., Bach P.V., Najari B.B., Li P.S., Goldstein M. (2016) Spermatogenesis in humans and its affecting factors. Semin. Cell Dev. Biol. 59, 10‒26. https://doi.org/10.1016/j.semcdb.2016.04.009

  16. Rinaldi V.D., Donnard E., Gellatly K., Rasmussen M., Kucukural A., Yukselen O., Garber M., Sharma U., Rando O.J. (2020) An atlas of cell types in the mouse epididymis and vas deferens. Elife. 9, e55474. https://doi.org/10.7554/eLife.55474

  17. Sullivan R., Mieusset R. (2016) The human epididymis: its function in sperm maturation. Hum. Reprod. Update. 22(5), 574‒587. https://doi.org/10.1093/humupd/dmw015

  18. Sullivan R., Legare C., Lamontagne-Proulx J., Breton S., Soulet D. (2019) Revisiting structure/functions of the human epididymis. Andrology. 7(5), 748‒757. https://doi.org/10.1111/andr.12633

  19. Cornwall G.A. (2009) New insights into epididymal biology and function. Hum. Reprod. Update. 15(2), 213‒227. https://doi.org/10.1093/humupd/dmn055

  20. Turner T.T., Johnston D.S., Finger J.N., Jelinsky S.A. (2007) Differential gene expression among the proximal segments of the rat epididymis is lost after efferent duct ligation. Biol. Reprod. 77(1), 165‒171. https://doi.org/10.1095/biolreprod.106.059493

  21. Dacheux J.-L., Dacheux F. (2014) New insights into epididymal function in relation to sperm maturation. Reproduction. 147(2), R27‒R42. https://doi.org/10.1530/REP-13-0420

  22. Henao-Mejia J., Williams A., Rongvaux A., Stein J., Hughes C., Flavell R.A. (2016) Generation of genetically modified mice using the CRISPR–Cas9 genome-editing system. Cold Spring Harbor Protoc. 2016(2), pdb. prot090704. https://doi.org/10.1101/pdb.prot090704

  23. Cedikova M., Miklikova M., Grundmanova,M., Zech N., Králíčková M., Kuncova J. (2014) Sperm mitochondrial function in men with normozoospermia and asthenozoospermia. Ceska Gynaecol. 79(1), 22‒28.

  24. Wilton L.J., Temple-Smith P.D., Baker H.G., de Kretser D.M. (1988) Human male infertility caused by degeneration and death of sperm in the epididymis. Fertil. Steril. 49(6), 1052‒1058. https://doi.org/10.1016/S0015-0282(16)59960-9

  25. Kent T., Arnold S.L., Fasnacht R., Rowsey R., Mit-chell D., Hogarth C.A., Isoherranen N., Griswold M.D. (2016) ALDH enzyme expression is independent of the spermatogenic cycle, and their inhibition causes misregulation of murine spermatogenic processes. Biol. Reprod. 94(1), 12, 1‒13. https://doi.org/10.1095/biolreprod.115.131458

  26. López-Fernández L.A., del Mazo J. (1997) The cytosolic aldehyde dehydrogenase gene (Aldh1) is developmentally expressed in Leydig cells. FEBS Lett. 407(2), 225‒229. https://doi.org/10.1016/S0014-5793(97)00352-9

  27. Xiao C.Y., Wang Y.Q., Li J.H., Tang G.C., Xiao S.S. (2017) Transformation, migration and outcome of residual bodies in the seminiferous tubules of the rat testis. Andrologia. 49(10), e12786. https://doi.org/10.1111/and.12786

  28. Paniagua R., Nistal M., Amat P., Rodriguez M.C., Martin A. (1987) Seminiferous tubule involution in elderly men. Biol. Reprod. 36(4), 939‒947. https://doi.org/10.1095/biolreprod36.4.939

  29. Hinton B.T., Palladino M.A. (1995) Epididymal epithelium: its contribution to the formation of a luminal fluid microenvironment. Microsc. Res. Tech. 30(1), 67‒81. https://doi.org/10.1002/jemt.1070300106

  30. Barati E., Nikzad H., Karimian M. (2020) Oxidative stress and male infertility: current knowledge of pathophysiology and role of antioxidant therapy in disease management. Cell. Mol. Life Sci. 77(1), 93‒113. https://doi.org/10.1007/s00018-019-03253-8

  31. Bisht S., Faiq M., Tolahunase M., Dada R. (2017) Oxidative stress and male infertility. Nat. Rev. Urol. 14(8), 470‒485. https://doi.org/10.1038/nrurol.2017.69

  32. Menezo Y.J., Silvestris E., Dale B., Elder K. (2016) Oxidative stress and alterations in DNA methylation: two sides of the same coin in reproduction. Reprod. BioMed. Online 33(6), 668‒683. https://doi.org/10.1016/j.rbmo.2016.09.006

Дополнительные материалы отсутствуют.