Кріопошкодження цілісності ДНК сперматозоїдів свійських тварин: методи визначення і шляхи підвищення цілісності ДНК
DOI:
https://doi.org/10.15407/cryo32.03.171Ключові слова:
кріоконсервування сперматозоїдів, фрагментація ДНК, сперматозоїди свійських тварин, оксидативний стрес, антиоксидантиАнотація
У огляді представлено дані щодо впливу кріоконсервування на стан ДНК сперматозоїдів свійських тварин, описано основні причини фрагментації ДНК, методи визначення та способи збереження її цілісності. Показано, що наявні методи визначення фрагментації ДНК є досить ефективними, але вибір оптимального методу обумовлений видовою приналежністю тварини. Основним чинником кріопошкоджень ДНК визнано оксидативний стрес, спричинений підвищеним вмістом активних форм кисню. Для запобігання даного ефекту розроблено багато захисних середовищ та реабілітаційних розчинів з додаванням антиоксидантів (неферментні, ферментні сполуки та наночастинки). Таким чином, визначення рівня фрагментації ДНК сперматозоїдів та збереження її цілісності є необхідною складовою для підвищення ефективності кріоконсервування гамет свійських тварин, що є складовою репродуктивних технологій.
Probl Cryobiol Cryomed 2022; 32(3): 172–182
Посилання
Abdelnour SA, Hassan MAE, Mohammed AK, et al. The effect of adding different levels of curcumin and its nanoparticles to extender on post-thaw quality of cryopreserved rabbit sperm. Animals. [Internet] 2020 Aug 26 [cited 2021 Sep 21]; 10(9):1508. Available from: https://www.mdpi.com/2076-2615/10/9/1508/htm CrossRef
Agarwal A, Gupta S, Sharma RK. Role of oxidative stress in female reproduction. Reprod Biol Endocrinol. [Internet] 2005 Jul 14 [cited 2021 Aug 21]; 3:28. Available from: https://rbej.biomedcentral.com/articles/10.1186/1477-7827-3-28 CrossRef
Ahmad Z, Ali L, Ahmed H, et al. Superoxide dismutase in extender improves the in vitro quality and in vivo fertility of cryopreserved water buffalo (Bubalus bubalis) spermatozoa. Cryoletters. 2020; 41(4): 194-201. PubMed
Ali Hassan H, Domain G, Luvoni GC, et al. Canine and feline epididymal semen-A plentiful source of gametes. Animals. Internet] 2021 Oct 14 [cited 2021 Sep 21]; 11(10): 2961. Available from: https://www.mdpi.com/2076-2615/11/10/2961 CrossRef
Bansal AK, Bilaspuri GS. Antioxidant effect of vitamin E on motility, viability and lipid peroxidation of cattle spermatozoa under oxidative stress. Anim Sci Pap Rep. 2009; 27(1): 5-14.
Bansal AK, Bilaspuri GS. Impacts of oxidative stress and antioxidants on semen functions. Vet Med Int. [Internet] 2010 Sep 07 [cited 2021 Sep 11] 2011:686137. Available from: https://www.hindawi.com/journals/vmi/2011/686137/ CrossRef
Bernstein AD, Petropavlovsky VV. [Effect of non-electrolytes on viability of spermatozoa]. Bjull Eksp Biol Med. 1937; 3: 41-3. Russian.
Brito MM, Angrimani DSR, Rui BR, et al. Effect of senescence on morphological, functional and oxidative features of fresh and cryopreserved canine sperm. Aging Male. 2020; 23(4): 279-86. CrossRef
Capanna E. Lazzaro Spallanzani: At the roots of modern biology. J Exp Zool. 1999; 85: 178-96. CrossRef
Chatdarong K. Retained fertilizing capability in cryopreserved feline spermatozoa. Reprod Domest Anim. 2017; 52(2): 261-4. CrossRef
Chelucci S, Pasciu V, Succu S, et al. Soybean lecithin-based extender preserves spermatozoa membrane integrity and fertilizing potential during goat semen cryopreservation. Theriogenology. 2015; 83(6): 1064-74. CrossRef
Cortés-Gutiérrez EI, Crespo F, Serres-Dalmau C, et al. Assessment of sperm DNA fragmentation in stallion (Equus caballus) and donkey (Equus asinus) using the sperm chromatin dispersion test. Reprod Domest Anim. 2009; 44(5): 823-8. CrossRef
Evenson DP. The Sperm Chromatin Structure Assay (SCSA) and other sperm DNA fragmentation tests for evaluation of sperm nuclear DNA integrity as related to fertility. Anim Reprod Sci. 2016; 169: 56-75. CrossRef
Fernández-Santos MR, Domínguez-Rebolledo AE, Esteso MC, et al. Catalase supplementation on thawed bull spermatozoa abolishes the detrimental effect of oxidative stress on motility and DNA integrity. Int J Andr. 2009; 32(4): 353-9. CrossRef
Flores E, Cifuentes D, Fernández-Novell JM, et al. Freeze-thawing induces alterations in the protamine-1/DNA overall structure in boar sperm. Theriogenology. 2008; 69(9): 1083-94. CrossRef
Forouzanfar M, Abid A, Hosseini SM, et al. Supplementation of sperm cryopreservation media with cell permeable superoxide dismutase mimetic agent (MnTE) improves goat blastocyst formation. Cryobiology. 2013; 67(3): 394-7. CrossRef
Fraser L, Strzezek J. Is there a relationship between the chromatin status and DNA fragmentation of boar spermatozoa following freezing-thawing? Theriogenology. 2007; 68(2): 248-57. CrossRef
Galarza DA, López-Sebastián A, Woelders H, et al. Two-step accelerating freezing protocol yields a better motility, membranes and DNA integrities of thawed ram sperm than three-steps freezing protocols. Cryobiology. 2019; 91: 84-9. CrossRef
Gosálvez J, López-Fernández C, Fernández JL, et al. Relationships between the dynamics of iatrogenic DNA damage and genomic design in mammalian spermatozoa from eleven species. Mol Reprod Dev. 2011; 78: 951-61. CrossRef
Griveau JF, Le Lannou D. Reactive oxygen species and human spermatozoa: physiology and pathology. Int J Androl. 1997; 20(2): 61-9. CrossRef
Gu N-H, Zhao W-L, Wang G-S, Sun F. Comparative analysis of mammalian sperm ultrastructure reveals relationships between sperm morphology, mitochondrial functions and motility. Reprod Biol Endocrinol. [Internet] 2019 Aug 15 [cited 2021 Apr 30]; 17: 66. Available from: https://rbej.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12958-019-0510-y CrossRef
Guerriero G, Trocchia S, Abdel-Gawad FK, Ciarcia G. Roles of reactive oxygen species in the spermatogenesis regulation. Front Endocrinol (Lausanne). [Internet] 2014 Apr 22 [cited 2021 Apr 30]; 5: 56. Available from: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fendo.2014.00056/full CrossRef
Gürler H, Malama E, Heppelmann M, et al. Effects of cryopreservation on sperm viability, synthesis of reactive oxygen species, and DNA damage of bovine sperm. Theriogenology. 2016; 86(2): 562-71. CrossRef
Homa ST, Vessey W, Perez-Miranda A, et al. Reactive oxygen species (ROS) in human semen: determination of a reference range. J Assist Reprod Genet. 2015; 32(5): 757-64. CrossRef
Ismail AA, Abdel-Khalek AE, Khalil WA, et al. Effects of mint, thyme, and curcumin extract nanoformulations on the sperm quality, apoptosis, chromatin decondensation, enzyme activity, and oxidative status of cryopreserved goat semen. Cryobiology. 2020; 97: 144-52. CrossRef
Khalil WA, El-Harairy MA, Zeidan AE, et al. Impact of selenium nano-particles in semen extender on bull sperm quality after cryopreservation. Theriogenology. 2019; 126: 121-7. CrossRef
Kopeika EF, Petrushko MP, Piniaiev VI, et al. Cryopreservation of reproductive cells and embryos of laboratory, agricultural and wild animals. Probl Cryobiol Cryomed. 2019; 29 (1): 3-18. CrossRef
Kritaniya D, Yadav S, Swain DK, et al. Freezing-thawing induces deprotamination, cryocapacitation-associated changes; DNA fragmentation; and reduced progesterone sensitivity in buck spermatozoa. Anim Reprod Sci. [Internet] 2020 Oct 16 [cited 2021 Sep 30]; 223:106628. Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378432020305005 CrossRef
Kumar H, Mahmood S. The use of fast acting antioxidants for the reduction of cow placental retention and subsequent endometritis. Ind J Anim Sci. 2001; 71(7): 650-3.
Kunkitti P, Sjödahl A, Bergqvist AS, et al. Comparison of DNA fragmentation assay in frozen-thawed cat epididymal sperm. Reprod Domest Anim. 2016; 51(4): 618-22. CrossRef
Lamirande de E, Jiang H, Zini A, et al. Reactive oxygen species and sperm physiology. Rev Reprod. 1997; 2(1):48-54. CrossRef
Lee CH, Cho YH. Aspects of mammalian spermatogenesis: electrophoretical analysis of protamines in mammalian species. Mol Cells. 1999; 9(5): 556-9. PubMed
López-Fernández C, Crespo F, Arroyo F, et al. Dynamics of sperm DNA fragmentation in domestic animals II. The stallion. Theriogenology. 2007; 68(9): 1240-50. CrossRef
López-Fernández C, Johnston SD, Fernández JL, et al. Fragmentation dynamics of frozen-thawed ram sperm DNA is modulated by sperm concentration. Theriogenology. 2010; 74(8): 1362-70. CrossRef
Luvoni GC, Morselli MG. Canine epididymal spermatozoa: a hidden treasure with great potential. Reprod Dom Anim. 2017; 52(2): 197-201. CrossRef
Martins CF, Dode MN, Báo SN, Rumpf R. The use of the acridine orange test and the TUNEL assay to assess the integrity of freeze-dried bovine spermatozoa DNA. Genet Mol Res. 2007; 6(1): 94-104. PubMed
Martínez-Pastor F, Fernández-Santos MR, Domínguez-Rebolledo ÁE, et al. Biology of reproduction group. DNA status on thawed semen from fighting bull: a comparison between the SCD and the SCSA tests. Reprod Dom Anim. 2009; 44: 424-31. CrossRef
McPherson SM, Longo FJ. Localization of DNase I-hypersensitive regions during rat spermatogenesis: stage-dependent patterns and unique sensitivity of elongating spermatids. Mol Reprod Dev. 1992; 31(4): 268-79. CrossRef
Mokarizadeh A, Rezvanfar M-A, Dorostkar K, et al. Mesenchymal stem cell derived microvesicles: trophic shuttles for enhancement of sperm quality parameters. Reprod Toxicol. 2013; 42: 78-84. CrossRef
Moustafa MH, Sharma RK, Thornton J, et al. Relationship between ROS production, apoptosis and DNA denaturation in spermatozoa from patients examined for infertility. Hum Reprod. 2004; 19(1): 129-38. CrossRef
Ntemka A, Tsousis G, Brozos C, et al. Breed differences of bull frozen-thawed semen. Reprod Domest Anim. 2016; 51(6): 945-52. CrossRef
Ortiz I, Urbano M, Dorado J, et al. Comparison of DNA fragmentation of frozen-thawed epididymal sperm of dogs using sperm chromatin structure analysis and sperm chromatin dispersion test. Anim Reprod Sci. 2017; 187: 74-8. CrossRef
Pavlovych O, Hapon H, Yurchuk T, et al. Ultrastructural and functional characteristics of human spermatozoa after cryopreservation by vitrification. Probl Cryobiol Cryomed. 2020; 30(1): 24-33. CrossRef
Рolge C, Smith AU, Parkes AS. Revival of spermatozoa after vitrification at low temperatures. Nature. 1949; 164: 666-7. CrossRef
Polge C, Rowson LEA. Fertilizing capacity of bull spermatozoa after freezing at -79 °C. Nature. 1952; 169: 626-7. CrossRef
Reed ML, Ezeh PC, Hamic A, et al. Soy lecithin replaces egg yolk for cryopreservation of human sperm without adversely affecting post thaw motility, morphology, sperm DNA integrity, or sperm binding to hyaluronate. Fertil Steril. 2009; 92(5): 1787-90. CrossRef
Ribas-Maynou J, Garcia-Bonavila E, Hidalgo CO, et al. Species-specific differences in sperm chromatin decondensation between eutherian mammals underlie distinct lysis requirements. Front Cell Dev Biol. [Internet] 2021 Apr 30 [cited 2021 Sep 30]; 9: 669182. Available from: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fcell.2021.669182/full CrossRef
Rui BR, Angrimani D, Bicudo LC, et al. A fast, low-cost and efficient method for the diagnosis of sperm DNA fragmentation in several species. Reprod Domest Anim. 2018; 53(1): 171-5. CrossRef
Saadeldin IM, Khalil WA, Alharbi MG, et al. The current trends in using nanoparticles, liposomes, and exosomes for semen cryopreservation. animals. Animals [Internet] 2020 Dec 3 [cited 2021 Sep 30] ; 10(12): 2281. Available from: https://www.mdpi.com/2076-2615/10/12/2281 CrossRef
Sabés-Alsina M, Johannisson A, Lundeheim N, et al. Effects of season on bull sperm quality in thawed samples in northern Spain. Vet Rec. [Internet] 2017 Mar 11 [cited 2021 Sep 11]; 180(10):251. Available from: https://bvajournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1136/vr.103897 CrossRef
Sakkas D, Mariethoz E, Manicardi G, et al. Origin of DNA damage in ejaculated human spermatozoa. Rev Reprod. 1999; 4(1): 31-7. CrossRef
Salamon S, Maxwell WM. Storage of ram semen. Anim Reprod Sci. 2000; 62: 77-111. CrossRef
Saleh RA, Agarwal A. Oxidative stress and male infertility: from research bench to clinical practice. J Androl. 2002; 23(6): 737-52. PubMed
Santiani A, Evangelista S, Valdivia M, et al. Effect of the addition of two superoxide dismutase analogues (tempo and tempol) to alpaca semen extender for cryopreservation. Theriogenology. 2013; 79(5): 842-6. CrossRef
Serafni R, Romano JE, Varner DD, et al. Sperm DNA assays and their relationship to sperm motility and morphology in bulls (Bos taurus). Anim Reprod Sci. 2015; 159: 77-86. CrossRef
Serafini R, Varner DD, Bissett W, et al. Sperm DNA quality evaluated by comet assay and sperm chromatin structure assay in stallions after unilateral orchiectomy. Theriogenology. 2015; 84: 833-7. CrossRef
Shamsi MB, Imam SN, Dada R. Sperm DNA integrity assays: diagnostic and prognostic challenges and implications in management of infertility. J Assist Reprod Genet. 2011; 28(11): 1073-85. CrossRef
Shi Y, Buffenstein R, Pulliam DA, et al. Comparative studies of oxidative stress and mitochondrial function in aging. Integr Comp Biol. 2010; 50(5): 869-79. CrossRef
Tosic J, Walton A. Formation of hydrogen peroxide by spermatozoa and its inhibitory effect of respiration. Nature. 1946; 158: 485. CrossRef
Uysal O, Bucak MN. Effects of oxidized glutathione, bovine serum albumin, cysteine and lycopene on the quality of frozen-thawed ram semen. Acta Vet Brno. 2007; 76(3): 383-90. CrossRef
Varesi S, Vernocchi V, Morselli MG, et al. DNA integrity of fresh and frozen canine epididymal spermatozoa. Reprod Biol. 2014; 14(4): 257-61. CrossRef
Yurchuk TO, Pavlovich OV, Gapon GO, et al. Lipid peroxidation and DNA fragmentation in fresh and cryopreserved spermatozoa of men at different spermatogenesis state. Ukr Biochem J. 2021; 93(3): 24-9. CrossRef
Yurchuk T, Petrushkо M, Gapon A, et al. The impact of cryopreservation on the morphology of spermatozoa in men with oligoasthenoteratozoospermia. Cryobiology. 2021; 100: 117-24. CrossRef
Downloads
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
