The role of sperm mitochondria in the occurrence and development of male infertility

Abstract

Цель обзора - анализ современных данных о роли митохондрий сперматозоидов в возникновении и развитии репродуктивных форм патологии. Митохондрии занимают центральное место в метаболизме сперматозоидов. Это обусловлено их участием в синтезе макроэргических фосфатов и поддержании окислительно-восстановительного потенциала; регуляции скорости их пролиферации, дифференцировки, апоптоза и митофагии; генерации активных форм кислорода; реализации внутриклеточного сигналинга и других процессов, обеспечивающих подвижность жгутиков, капацитацию, акросомальную реакцию, активацию ооцитов и слияние гамет. В большинстве случаев изменения этих функций ассоциированы с субфертильностью и/или бесплодием. Продемонстрирована также тесная связь между митохондриальным геномом, протеомом, метаболомом и оплодотворяющей способностью сперматозоидов. Выявлены ключевые белки митохондрий (АТФ-синтаза, аденилаттранслоказа, аденилаткиназа 1, изоцитратдегидрогеназа 3β, аконитатгидратаза, фумаратгидратаза, пируватдегидрогеназный комплекс, сиртуины, пероксиредоксины и др.), участвующие в репродуктивном процессе. Показана корреляция аберрантной экспрессии генов этих белков с ухудшением качественных и количественных характеристик эякулята. Доказана облигатная роль в метаболизме сперматозоидов таких энергетических субстратов митохондрий как лактат и длинноцепочечные жирные кислоты. Вместе с тем, высокая пластичность митохондрий, сравнительно легко модулирующих свою локализацию, форму и метаболическую активность, затрудняет однозначную интерпретацию имеющегося в настоящее время массива фактических данных об их функциях. Расшифровка молекулярно-генетических механизмов нарушения структуры митохондрий и их дисфункции может стать основой для разработки эффективных методов диагностики и таргетной терапии мужского бесплодия. The aim of this review was to analyze current data on the role of sperm mitochondria in the occurrence and development of reproductive pathologies. Mitochondria play a major role in the sperm metabolism due to their participation in the synthesis of high-energy phosphates; maintenance of redox potential; regulation of the sperm proliferation rate, differentiation, apoptosis, and mitophagy; generation of reactive oxygen species; implementation of intracellular signaling, and other processes that ensure flagella motility, capacitation, acrosomal reaction, oocyte activation, and gamete fusion. In most cases, changes in these functions are associated with subfertility and/or infertility. A close relationship between the mitochondrial genome, proteome, metabolome, and sperm fertility has also been demonstrated. The key mitochondrial proteins (ATP synthase, adenylate translocase, adenylate kinase 1, isocitrate dehydrogenase 3β, aconitate hydratase, fumarate hydratase, pyruvate dehydrogenase complex, sirtuins, peroxiredoxins, etc.) involved in the reproductive process were identified. Correlations were found between the aberrant gene expression of these proteins and the deterioration of qualitative and quantitative characteristics of the ejaculate. The obligate role in sperm metabolism of mitochondrial energy substrates, such as lactate and long-chain fatty acids, has been proved. At the same time, the high plasticity of mitochondria, which relatively easily modulate their localization, shape, and metabolic activity, makes it difficult to interpret unambiguously the currently available body of facts on their functions. Deciphering the molecular genetic mechanisms of mitochondrial structural disorders and dysfunction may become a basis for development of effective diagnostic methods and targeted therapy for male infertility.