Ооциты низкого качества: кандидаты для донации ооплазмы

616-091.85:618.177-089.888.11

Салимов Д. Ф., Лопата А., Балезин С. Л., Отсуки Д.

ЗАО Центр Семейной Медицины, г. Екатеринбург, Российская Федерация;
Мельбурнский университет, Королевский женский госпиталь, г. Мельбурн, Австралия;
Клиника Нагай, г. Саитама, Япония

Резюме.
В обзоре обсуждаются физиологические причины снижения качества ооцитов и причины, обусловленные in vitro культивированием при использовании вспомогательных репродуктивных технологий для преодоления бесплодия. Особое внимание уделено механизмам повреждающего действия активных форм кислорода, функциональной роли митохондрий во внутриклеточном гомеостазе ооцита и их нарушениям. Представлены возрастные изменения в ооцитах и процессы, лежащие в основе формирования анеуплоидий в яйцеклетках. Систематизированы основные группы пациентов — потенциальных кандидатов для применения технологии донации ооплазмы, это пациенты с повторяющимся низким качеством ооцитов, пациенты старшей возрастной группы и пациенты с митохондриальными заболеваниями. С точки зрения перспективы клинического внедрения обсуждаются технологии переноса ооплазмы, переноса митохондрий и трансплантации ядерного генетического материала, существующие на сегодняшний день ограничения и этические аспекты их применения.
Ключевые слова:
ооцит, митохондрии, оксидативный стресс, анеуплоидии, трансплантация ядра, гетероплазмия

ЛИТЕРАТУРА
1. Rienzi L. The oocyte. Rienzi L., Balaban B., Ebner T. and Mandelbaum J. Human Reproduction. 2012. Vol. 27, No. 1. pp. 2–21.
2. Swain J.E. ART failure: oocyte contributions to unsuccessful fertilization. Swain J. E., Pool T. B. Hum Reprod Update. 2008. No. 14. pp. 431–446.
3. Rienzi L. Predictive value of oocyte morphology in human IVF: a systematic review of the literature. Rienzi L., Vajta G., Ubaldi F. Hum Reprod Update. 2011. No. 17. pp. 34–45.
4. Alpha Scientists in Reproductive medicine and ESHRE Special Interest Group of Embryology. The Istanbul consensus workshop on embryo assessment: proceedings of an expert meeting. Hum Reprod. 2011. No. 26. pp. 1270–1283.
5. Balaban B. Effect of oocyte morphology on embryo development and implantation. Balaban B., Urman B. Reprod Biomed Online. 2006. No. 12. pp. 608–615.
6. Ebner T. Is oocyte morphology prognostic of embryo developmental potential after ICSI? Ebner T., Moser M., Tews G. Reprod Biomed Online. 2006. No. 12. pp. 507–512.
7. Otsuki J. The relationship between pregnancy outcome and smooth endoplasmic reticulum clusters in MII human oocytes. Otsuki J., Okada A., Morimoto K., Nagai Y., Kubo H. Hum Reprod. 2004. No. 19. pp. 1591–1597.
8. Wang L. Mitochondrial functions on oocytes and preimplantation embryos. Wang L., Wang D., Zou X., Xu C. J Zhejiang Univ Sci B. 2009. No. 10 (7). pp. 483–492.
9. Torner H. Mitochondrial aggregation patterns and activity in porcine oocytes and apoptosis in surrounding cumulus cells depends on the stage of preovulatory maturation. Torner H., Brussow K. P., Alm H., Ratky J., Pohland R., Tuchscherer A., Kanitz W. Theriogenology. 2004. No. 61 (9). pp. 1675–1689.
10. Wilding M. Mitochondrial aggregation patterns and activity in human oocytes and preimplantation embryos. Wilding M., Dale B., Marino M., di Matteo L., Alviggi C., Pisaturo M. L., Lombardi L., de Placido G. Hum. Reprod. 2001. No. 16 (5). pp. 909–917.
11. Nagai S. Correlation of abnormal mitochondrial distribution in mouse oocytes with reduced developmental competence. Nagai S., Mabuchi T., Hirata S., Shod T., Kasai T., Yokota S., Shitara H., Yonekawa H., Hoshi K. Tohoku J. Exp. Med. 2006. No. 210 (2). pp.137–144.
12. Van Blerkom J. Differential mitochondrial distribution in human pronuclear embryos leads to disproportionate inheritance between blastomeres: relationship to microtubular organization, ATP content and competence. Van Blerkom J., Davis P., Alexander S. Hum Reprod. 2000. No. 15. pp. 2621–2633.
13. Krisher R. L. The effect of oocyte quality on development. Krisher R. L. J. Anim. Sci. 2004. No. 82. pp. 14–23.14.

14. Bootman M. D. Calcium signaling — an overview. Bootman M. D., Collins T. J., Peppiatt C. M., Prothero L. S., 
MacKenzie L., de Smet P., Travers M., Tovey S. C., Seo J. T., Berridge M. J., Ciccolini F., Lipp P. Semin. Cell Dev. Biol.
2001. No. 12 (1). pp. 3–10.
15. Khosravi-Far R. Death receptor signals to mitochondria. Khosravi-Far R., Esposti M. D. Cancer Biol Ther.
2004. No. 3. pp.1051–1057.

16. Orrenius S. Mitochondrial oxidative stress: implications for cell death. Orrenius S., Gogvadze V., Zhivotovsky B. Annu Rev Pharmacol Toxicol. 2007. No. 47. pp. 143–183.
17. Zamzami N. Subcellular and submitochondrial model of action of Bcl-2-like oncoproteins. Zamzami N., Brenner C., Marzo I., Susin S., Kroemer G. Oncogene. 1998. No.16. pp. 2265–2282.
18. Cummins J. M. Fate of microinjected sperm components in the mouse oocyte and embryo. Cummin s J. M., Wakayama T., Yanagimachi R. Zygote. 1997. No. 5 (4). pp. 301–308.
19. Reynier P. Mitochondrial DNA content affects the fertilizability of human oocytes Reynier P., May-Panloup P., Chretien M. F., Morgan C. J., Jean M., Savagner F., Barriere P., Malthiery Y. Mol. Hum. Reprod. 2001. No. 7 (5). pp. 425–429.
20. Bentov Y. The contribution of mitochondrial function to reproductive aging. Bentov Y., Yavorska T., Esfandiari N., Jurisicova A., Casper F. J Assist Reprod Genet. 2011. No. 28. pp. 773–783.
21. ESHRE Capri Workshop Group Fertility and ageing. Human Reproduction Update. 2005. Vol. 11, No. 3. pp. 261–276.
22. Brook J. D. Maternal ageing and aneuploid embryosevidence from the mouse that biological and not chronological age is the important influence. Brook J. D., Gosden R. G., Chandley A. C. Hum Genet. 1984. No. 66. pp. 41–45.
23. Gaulden M. E. A model that explains the varying frequency of aneuploid children with maternal age (J-shaped curve) as well as aneuploidy of paternal origin. Gaulden M. E. Prog Clin Biol Res. 1989. No. 318. pp. 253–257.
24. Eichenlaub-Ritter U. Oocyte ageing and its cellular basis. Eichenlaub-Ritter U. Int. J. Dev. Biol. 2012. No. 56. pp. 841–852.
25. Harper M.E. Aging, oxidative stress, and mitochondrial uncoupling. Harper M. E., Bevilacqua L., Hagopian K., Weindruch R., Ramsey J. J. Acta Physiol Scand. 2004. No. 182. pp. 321–331.
26. Burton G. J. Oxidative Stress Burton G. J., Jauniaux E. Best Pract Res Clin Obstet Gynaecol. 2010. No. 25. pp. 287–299.
27. Combelles С. M. Profiling of superoxide dismutase isoenzymes in compartments of the developing bovine antral follicles. Combelles С. M., Holick E. A., Paolella L. J., Walker D. C., Wu Q. Reproduction. 2010. No. 139. pp. 871–881.
28. Revelli A. Follicular fluid content and oocyte quality: from single biochemical markers to metabolomics. Revelli A., Delle Piane L., Casano S., Molinari E., Massobrio M., Rinaudo P. Reprod. Biol. Endocrinol. 2009. pp. 7–40.
29. Harvey A. J. REDOX regulation of early embryo development. Harvey A. J., Kind K. L., Thompson J. G. Reproduction. 2002. No. 123. pp. 479–486.
30. Johnson M.H. Radical solutions and cultural problems: could free oxygen radicals be responsible for the impaired development of preimplantation mammalian embryos in vitro? Johnson M. H., Nasr-Esfahani M. H. Bioessays. 1994. No. 16. pp. 31–38.
31. Agarwal A. The effects of oxidative stress on female reproduction. Agarwal A., Aponte-Mellado A., Premkumar B. J., Shaman A., Gupta S. Reproductive Biology and Endocrinology. 2012. pp. 10–49.
32. Ottolenghi C. Aging of oocyte, ovary, and human reproduction. Ottolenghi C., Uda M., Hamatani T., Crisponi L., Garcia J. E., Ko M., Pilia G., Sforza C., Schlessinger D., Forabosco A. Ann. N. Y. Acad. Sci. 2004. No. 1034 (1). pp. 117–131.
33. Haghdoost S. Extracellular 8-oxo-dG as a sensitive parameter for oxidative stress in vivo and in vitro. Haghdoost S., Czene S., Naslund I., Skog S., Harms-Ringdahl M. Free Radic. Res. 2005. No. 39 (2). pp. 153–162.
34. Wang J. Mitochondrial DNA 4977-bp deletion correlated with reactive oxygen species production and manganese superoxide dismutase expression in gastric tumor cells. Wang J., Lu Y. Y. Chin. Med. J. (Engl.). 2009. No. 122 (4). pp .431–436.
35. Dubec S. J. Mitochondrial DNA mutations may contribute to aging via cell death caused by peptides that induce cytochrome-c re-lease. Dubec S. J., Aurora R., Zassenhaus H. P.. Rejuvenation Res. 2008. No. 11 (3). pp. 611–619.
36. Van Blerkom J. High-polarized (Delta Psi m(HIGH)) mitochondria are spatially polarized in human oocytes and early embryos in stable subplasmalemmal domains: developmental significance and the concept of vanguard mitochondria. Van Blerkom J., Davis P. Reprod. Biomed. Online. 2006. No. 13 (2). pp. 246–254.
37. Van Blerkom J. Mitochondrial signaling and fertilization. Van Blerkom J., Davis P. Mol. Hum. Reprod. 2007. No. 13 (11). pp. 759–770.
38. Gordo A. C. Intracellular calcium oscillations signal apoptosis rather than activation in in vitro aged mouse eggs. Gordo A. C., Rodrigues P., Kurokawa M., Jellerette T., Exley G. E., Warner C., Fissore R. Biol Reprod. 2002. No. 66. pp. 1828–1837.
39. Eichenlaub-Ritter U. Genetics of oocyte ageing. Eichenlaub-Ritter U. Maturitas. 1998. No. 30 (2). pp. 143–169.
40. Nagaoka S. Human aneuploidy: mechanisms and new insights into an age-old problem. Nagaoka S., Hassold T., Hunt P. Nat Rev Genet. 2012. No. 13. pp. 493–504.
41. Hassold T. To err (meiotically) is human: the genesis of human aneuploidy. Hassold T., Hunt P. Nat Rev Genet. 2001. No. 2. pp. 280–291.
42. Musacchio A. Spindle assembly checkpoint: the third decade. Musacchio A. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2011. No. 366. pp. 3595–3604.
43. Sebestova J. Lack of response to unaligned chromosomes in mammalian female gametes. Sebestova J., Danylevska A., Dobrucka L., Kubelka M., Anger M. Cell Cycle. 2012. No. 11. pp. 3011–3018.
44. Gui L. Spindle assembly checkpoint signalling is uncoupled from chromosomal position in mouse oocytes. Gui L., Homer H. Development. 2012. No. 139. pp. 1941–1946.
45. Sharov A. A. Effects of aging and calorie restriction on the global gene expression profiles of mouse testis and ovary. Sharov A. A., Falco G., Piao Y., Poosala S., Becker K. G., Zonderman A. B., Longo D. L., Schlessinger D., Ko M. S. BMC Biol. 2008. No. 6. pp. 6–24.
46. May-Panloup P. Low oocyte mitochondrial DNA content in ovarian insufficiency. May-Panloup P., Chretien M. F., Jacques C., Vasseur C., Malthiery Y., Reynier P. Hum Reprod (Oxford, England). 2005. No. 20. pp. 593–597.
47. Larsson N. G. Mitochondrial transcription factor A is necessary for mtDNA maintenance and embryogenesis in mice. Larsson N. G., Wang J., Wilhelmsson H., Oldfors A., Rustin P., Lewandoski M. Nat Genet. 1998. No. 18. pp. 231–236.
48. Ruiz-Pesini E. Correlation of sperm motility with mitochondrial enzymatic activities. Ruiz-Pesini E., Diez C., Lapena A. C., Perez-Martos A., Montoya J., Alvarez E. Clin Chem. 1998. No. 44. pp. 1616–1620.
49. Smits L. J. Conditions at conception and risk of menstrual disorders. Smits L. J., Willemsen W. N., Zielhuis G. A., Jongbloet P. H. Epidemiology. 1997. No. 8. pp. 524–529.

50. Corbould A. Insulin resistance in skeletal muscle and adipose tissue in polycystic ovary syndrome: are the molecular mechanisms distinct from type 2 diabetes? Corbould A. Panminerva Med. 2008. No. 50. pp. 279–294.
51. Fissore R. A. Mechanisms underlying oocyte activation and postovulatory ageing. Fissore R. A., Kurokawa M., Knott J., Zhang M., Smyth J. Reproduction. 2002. No. 124. pp. 745–754.
52. Perez G. I. Fragmentation and death (a.k.a. apoptosis) of ovulated oocytes. Perez G. I., Tao X. J., Tilly J L. Mol Hum Reprod. 1999. No. 5. pp. 414–420.
53. DiMauro S. Mitochondrial DNA mutations in human disease. DiMauro S., Schon E. A. Am. J. Med. Genet. 2001. No. 106. pp. 18–26.

54. Chinnery P. F. Epidemiology and treatment of mitochondrial disorders. Chinnery P. F., Turnbull D. M. Am. J. Med. Genet. 2001. No. 106. pp .94–101.

55. Satoh M. Organization of multiple nucleoids and DNA molecules in mitochondria of a human cell. Satoh M., Kuroiwa T. Exp. Cell Res. 1991. No. 196. pp. 137–140.
56. Chinnery P.F. The inheritance of mitochondrial DNA heteroplasmy: random drift, selection or both? Chinnery P. F., Thorburn D. R., Samuels D. C., White S. L., Dahl H. M., Turnbull D. M., Lightowlers R. N. and Howell N. TrendsGenet. 2000. No. 16. pp. 500–505.

57. Dean N. L. Prospect of preimplantation genetic diagnosis for heritable mitochondrial DNA diseases. Dean N. L., Battersby B. J., Asangla A., Gosden R. G., Tan S. L., Shoubridge E. A. Molecular Human Reproduction. 2003. Vol. 9, No. 10. pp. 631–638.
58. Poulton J. 174th ENMC International Workshop: Applying pre-implantation genetic diagnosis to mtDNA diseases: Implications of scientific advances. Poulton J., Bredenoord A. L. Neuromuscular Disorders. 2010. No. 20. pp. 559–563.
59. Poulton J. Transmission of Mitochondrial DNA Diseases and Ways to Prevent Them. Poulton J., Chiaratti M. R., Meirelles F. V., Kennedy S., Wells D., Holt I. J. PLoS Genetics. 2010. Vol. 6, No. 8. pp. 1–8.
60. Cohen J. Ooplasmic transfer in mature human oocytes. Cohen J., Scott R., Alikani M., Schimmel T., Munne S., Levron J., Wu L., Brenner C. A., Warner C., Willadsen S. Mol Hum Reprod. 1998. No. 4. pp. 269–280.
61. Cohen J. Birth of an infant after transfer of anucleate donor oocyte cytoplasm into recipient eggs. Cohen J., Scott R., Schimmel T., Levron J., Willadsen S. Lancet. 1997. No. 350. pp. 186–187.
62. Brenner C. A. Mitochondrial DNA heteroplasmy after human ooplasmic transplantation. Brenner C. A., Barritt J. A., Willadsen S., Cohen J. Fertil Steril. 2000. No. 74. pp. 573–578.
63. Barritt J. Mitochondria in human offspring derived from ooplasmic transplantation. Barritt J. A., Brenner C. A., Malter H. E., Cohen J. Hum Reprod. 2001. No. 16. pp. 513–516.
64. Harvey A. J. Impact of assisted reproductive technologies: a mitochondrial perspective of cytoplasmic transplantation. Harvey A. J., Gibson T. C., Quebedeaux T. M., Brenner C. A. Curr Top Dev Biol. 2007. No. 77. pp. 229–249.
65. Muggleton-Harris A. Cytoplasmic control of preimplantation development in vitro in the mouse. Muggleton-Harris A., Whittingham D. G., Wilson L. Nature. 1982. No. 299. pp. 460–462.
66. Chiaratti M. R. Ooplast-mediated developmental rescue of bovine oocytes exposed to ethidium bromide. Chiaratti M. R., Ferreira C. R., Perecin F., Meo S. C., Sangalli J. R., Mesquita L. G. Reproductive biomedicine online. 2011. No. 22 (2). pp. 172–183.
67. El Shourbagy S.H. Mitochondria directly influence fertilization outcome in the pig. El Shourbagy S. H., Spikings E. C., Freitas M., St John J. C. Reproduction. 2006. No. 131. pp. 233–245.
68. Yi Y.C. Mitochondrial transfer can enhance the murine embryo development. Yi Y. C., Chen M. J., Ho JYP, Guu H. F., Ho E. S. J Assist Reprod Genet. 2007. No. 24. pp. 445–449.
69. Acton B.M. Neutral mitochondrial heteroplasmy alters physiological function in mice. Acton B. M., Lai I., Shang X., Jurisicova A., Casper R. F. Biol Reprod. 2007. No. 77. pp. 569–576.
70. Sharpley M.S. Heteroplasmy of mouse mtDNA Is genetically unstable and results in altered behavior and cognition. Sharpley M. S., Marciniak C., Eckel-Mahan K., McManus M., Crimi M., Waymire K., Lin C. S., Masubuchi S., Friend N., Koike M., Chalkia D., Macgregor G., Sassone-Corsi P., Wallace D. C. Cell. 2012. No. 151. pp. 333–343.
71. Zou K. Production of offspring from a germline stem cell line derived from neonatal ovaries. Zou K., Yuan Z., Yang Z., Luo H., Sun K., Zhou L., Xiang J., Shi L., Yu Q., Zhang Y. Nat Cell Biol. 2009. No. 11. pp. 631–636.
72. White Y. A. Oocyte formation by mitotically active germ cells purified from ovaries of reproductive age women. White Y. A., Woods D. C., Takai Y., Ishihara O., Seki H., Tilly J. L. Nat Med. 2012. No. 18. pp. 413–421.
73. Woods D. C. Purification of oogonial stem cells from adult mouse and human ovaries: an assessment of the literature and a view toward the future. Woods D. C., White Y. A., Tilly J. L. Reprod Sci. 2013. No. 20. pp. 7–15.
74. Fulka H. Nucleolar transplantation in oocytes and zygotes: challenges for further research. Fulka H., Fulka J. Molecular Human Reproduction. 2010. Vol. 16, No. 2. pp. 63–67.
75. Tachibana M. Towards germline gene therapy of inherited mitochondrial diseases. Tachibana M., Amato P., Sparman M., Woodward J., Sanchis D. M., Hong Ma, Gutierrez N. M., Tippner-Hedges R., Kang E., Hyo-Sang Lee, Ramsey C., Masterson K., Battaglia D., Lee D., Wu D., Jensen J., Patton P., Gokhale S., Stouffer R., Mitalipov S. Nature. 2013. No. 493 (7434). pp. 627–631.
76. Craven L. Pronuclear transfer in human embryos to prevent transmission of mitochondrial DNA disease. Craven L., Tuppen H. A., Greggains G. D., Harbottle S. J., Murphy J. L. Nature. 2010. No. 465. pp. 82–85.
77. Otsuki J. A phase of chromosome aggregation during meiosis in human oocytes. Otsuki J., Nagai Y. Reprod. Biomed. Online. 2007. No. 15. pp. 191–197.
78. Otsuki J. Aggregated chromosomes transfer in human oocytes. Otsuki J., Nagai J., Sankai T. Reproductive BioMedicine Online. 2014. No. 28. pp. 401–404.

Авторская справка
Салимов Даниил Фратович
ЗАО «Центр Семейной Медицины»; биолог, клинический эмбриолог
Российская Федерация, г. Екатеринбург, ул. Н. Васильева 1/3, 620043
e-mail: dfsalimov@mail.ru

Лопата Алекс
Отделение Акушерства и Гинекологии, Мельбурнский университет, Королевский
женский госпиталь; MD, PhD
Австралия, Мельбурн, Виктория, Парквилль, Флемингтон роуд 20, 3052

Балезин Сергей Леонидович
ЗАО «Центр Семейной Медицины»; к.м.н., заместитель директора по лаборатор-
ной службе
Российская Федерация, г. Екатеринбург, ул. Н.Васильева 1/3, 620043

Отсуки Джунко
Клиника Нагай; PhD, руководитель лаборатории эмбриологии
Япония, Саитама, Мисато, Камикихона 607-1, 341-0004