Alterazioni del DNA mitocondriale ovarico incidono sulla fertilità femminile

La riduzione della fertilità femminile nel tempo è considerata una naturale conseguenza dell’invecchiamento ovarico. Negli ultimi anni, il contenuto di cellule embrionali del mtDNA è emerso come possibile misura per determinare il potenziale di impianto dell’embrione
IL meccanismo alla base di questo processo non è stato completamente chiarito, ma, sta diventando sempre più evidente che le alterazioni qualitative e quantitative del genoma mitocondriale potrebbero svolgere un ruolo rilevante nell’invecchiamento ovarico e la riduzione della fertilità. il danno del DNA mitocondriale (mtDNA) causato dallo stress ossidativo, l’accumulo di mutazioni acquisite del mtDNA, gli effetti delle mutazioni ereditarie del mtDNA e le alterazioni nel meccanismo di risposta allo stress mitocondriale.
Negli ultimi anni, il contenuto di cellule embrionali del mtDNA è emerso come possibile misura per determinare il potenziale di impianto dell’embrione.

Le donne raggiungono il picco di fertilità all’inizio dei vent’anni e sino ai 30, dopo di che, la fecondità inizia a diminuire gradualmente. Questa diminuzione è inizialmente lieve e, dopo i 35 anni di età diventa più pronunciata. La riduzione della fertilità femminile nel tempo è considerata la naturale conseguenza dell’invecchiamento ovarico. Questo processo include alterazioni sia quantitative che qualitative della riserva ovarica. Lo sviluppo degli ovociti più vecchi è caratterizzato da un’elevata incidenza di errori meiotici e, di conseguenza, di aneuploidie cromosomiche e alterazioni degli organelli presenti nelle cellule come ad esempio i Mitocondri che hanno un loro DNA che può subire alterazioni, la competenza riproduttiva di tali ovociti è quindi spesso compromessa.
Il progressivo aumento dell’età alla quale le donne danno alla luce il loro primo figlio, considerando l’effetto dannoso dell’invecchiamento sulla fertilità, è divenuta una preoccupazione nel mondo occidentale.
Sta diventando sempre più evidente che le alterazioni del genoma mitocondriale possono svolgere un ruolo rilevante. Il Genoma mitocondriale è una molecola di DNA circolare a doppio filamento che codifica per 37 geni, che per la mancanza di istoni protettivi, è particolarmente suscettibile all’attacco dei radicali liberi dell’ossigeno e allo sviluppo di mutazioni somatiche. Un eccesso di mutazione del mtDNA può determinare l’alterazione del processo di fosforilazione ossidativa e, di conseguenza, l’insorgenza di malattie associate alla disfunzione mitocondriale
L’ovocita umano maturo è la cellula umana con il più alto contenuto di mitocondri e mtDNA. Ciò è probabilmente dovuto alla notevole energia richiesta per la fecondazione e lo sviluppo embrionale precoce. La replicazione mitocondriale degli ovociti inizia durante la vita fetale: gli oogoni, precursori degli ovociti, inizialmente contengono circa 200 mitocondri di origine materna, questo numero aumenta progressivamente man mano che gli ovociti procedono nel loro processo di replicazione e maturazione. In particolare, un ovocita allo stadio di metafase II ( ovocita maturo) , pronto alla fecondazione, contiene circa 100.000 mitocondri , la capacità di replicazione del mtDNA viene riattivata quando l’embrione raggiunge lo stadio di blastocisti al quinto giorno dalla fecondazione. Ne consegue che, nel periodo di tempo che va dalla fecondazione all’impianto, l’embrione dipende dalla funzione dei mitocondri esistenti.
Le alterazioni del genoma mitocondriale coinvolte nel processo di invecchiamento ovarico sono dovute al danno al mtDNA causato dallo stress ossidativo, l’accumulo di mutazioni acquisite del mtDNA, gli effetti delle mutazioni ereditarie del mtDNA e le alterazioni nel meccanismo di risposta allo stress mitocondriale.

Alterazioni qualitative del mtDNA Stress ossidativo dipendente 

L’effetto dello stress ossidativo sul mtDNA sull’invecchiamento mitocondriale è emerso come un fattore di notevole importanza. Il meccanismo ipotizzato coinvolge il danno indotto dalle specie reattive dell’ossigeno (ROS) prodotte dai mitocondri possono compromettere l’integrità della catena respiratoria (fonte di energia per la cellula) e, di conseguenza, alimentare il processo di invecchiamento e il decadimento energetico della cellula Infine, la formazione di rotture a doppio filamento del mtDNA indotte dai ROS sembra essere coinvolta nella generazione delle delezioni del mtDNA .
Le mutazioni del mtDNA causerebbero una perdita di sincronia nella produzione di proteine funzionali da parte del mtDNA e del DNA nucleare (nDNA) portando al parziale disaccoppiamento della catena respiratoria, ciò si traduce in un circolo vizioso: le mutazioni del mtDNA causerebbero un ulteriore accumulo di ROS e un aumento esponenziale delle mutazioni del mtDNA e una riduzione dell’ATP, molecola che sviluppa energia.

Stress ossidativo nell’invecchiamento da DNA mitocondriale del follicolo ovarico

Il follicolo di Graaf è costituito da un ovocita, un antro riempito con il fluido follicolare e dalle cellule che rivestono la parete del follicolo. Le cellule che circondano l’ovocita sono chiamate cellule del cumulo granulosa Gli ovociti secernono fattori che possono regolare le funzioni di queste cellule che hanno il compito di formare il microambiente follicolare per la competenza di sviluppo degli ovociti, le suddette cellule sono state proposte come elementi chiave nella fisiopatologia dell’invecchiamento ovarico e dell’infertilità

Le mutazioni e le delezioni del mtDNA degli ovociti potrebbero avere un ruolo nel declino della fertilità femminile correlato all’età. l’incidenza della delezione di 4977 bp negli ovociti MII non fecondati, considerata una delle mutazioni più frequenti del mtDNA, si accumula con l’avanzare dell’età in vari tessuti e, secondo alcuni può anche essere considerata un marker di invecchiamento naturale per diminuzione del numero di copie del mtDNA, una concentrazione sierica dell’ormone follicolo stimolante (FSH) più alto e una risposta ovarica più scarsa rispetto alle donne più giovani ( Figura 1). Anche l’incidenza della mutazione puntiforme del mtDNA T414G degli ovociti umani aumenta in modo dipendente dall’età. Inoltre, considerando che questa mutazione colpisce la regione di controllo del mtDNA, è stato ipotizzato che la regolazione della trascrizione e replicazione del mtDNA possa essere alterata durante lo sviluppo dell’ovocita e dell’embrione

Alterazioni del mtDNA delle cellule della granulosa

Il mantenimento di un’omeostasi energetica nell’ovaio e, in particolare, nei follicoli consente lo sviluppo di un ovocita competente. la produzione di ROS aumenta in modo significativo al diminuire della funzione respiratoria mitocondriale con l’invecchiamento . Allo stesso tempo, è stata osservata una riduzione dell’attività della catena respiratoria mitocondriale dipendente dal Coenzima Q , donne di età superiore ai 38 anni contengano livelli più elevati di delezioni del mtDNA e mitocondri danneggiati . I meccanismi fisiopatologici alla base di queste perturbazioni dell’omeostasi mitocondriale sono ancora oggetto di studio. Dati recenti indicano una ridotta espressione del gene PPARGC1A del recettore gamma attivato dal proliferatore del perossisoma nella granulosa delle donne con riserva ovarica ridotta rispetto a quelle con riserva ovarica normale . Il lungo processo di follicologenesi e la rete tra cellule della granulosa, ovociti e microambiente ovarico sono i fattori chiave che consentono al processo di stress ossidativo di diffondersi e determinare l’effetto dannoso qualitativo sulla riserva ovarica. Di conseguenza, l’accumulo di mtDNA danneggiato durante la lunga fase di quiescenza follicolare potrebbe essere responsabile dell’invecchiamento degli ovociti . Nelle donne anziane, i GC nei follicoli primordiali e, di conseguenza, gli ovociti rimangono a lungo sotto l’effetto di basse quantità di ROS derivate dal processo di respirazione mitocondriale, e quindi probabilmente hanno subito danni al loro mitocondri e mtDNA . Allo stesso tempo, il microambiente ovarico viene alterato durante l’invecchiamento e caratterizzato da un sovraccarico di ROS. È importante sottolineare che i ROS hanno un effetto dannoso solo a livelli soprafisiologici, infatti un buon equilibrio tra ROS e attività antiossidante è necessario e garantisce un buon sviluppo e maturazione dell’ovocita .
si è ipotizzato che la diminuzione della produzione di ATP e la ridotta funzione della fosforilazione ossidativa, processo biochimico cellulare fondamentale per la produzione di energia tramite la sintesi di ATP fossero responsabili della disfunzione legata all’età

La risposta allo stress caratterizzato da un esaurimento del genoma dei mitocondri o dall’accumulo di proteine danneggiate all’interno di questi sarebbe in grado di determinare l’infertilità e l’esaurimento follicolare accelerato.
Alterazioni quantitative
Il numero di copie MtDNA è una misura quantitativa,. Questo biomarcatore ha attirato l’attenzione dei ricercatori di medicina riproduttiva. In particolare, è stata ampiamente studiata l’associazione tra la sua quantificazione in ovociti, cellule della granulosa, cellule embrionali e cellule del sangue periferico con esiti di fertilità eterologa come l’impianto di embrioni

Contenuto e fertilità del mtDNA degli ovociti
Il numero iniziale di mitocondri e il contenuto di mtDNA dell’ovocita sono emersi come fattori chiave nel processo di fecondazione e sviluppo embrionale in diverse specie di mammiferi . In uno studio Reyner et al. hanno osservato che il numero medio di copie del mtDNA negli ovociti umani era significativamente più basso nelle coorti di pazienti che soffrivano di fallimento della fecondazione rispetto a quelli con un tasso di fecondazione normale , concludendo che il basso contenuto di mtDNA negli ovociti potrebbe essere la conseguenza di una biogenesi mitocondriale inadeguata o della maturazione citoplasmatica e potrebbe influenzare negativamente la fertilizzabilità di questi.
Santos et al. ha confermato questi risultati e ha ribadito che il contenuto di ovociti del mtDNA dovrebbe essere considerato fondamentale per l’esito della fecondazione e che potrebbe servire come un importante indicatore della qualità degli ovociti. Infatti, la quantità di mitocondri dell’ovocita fecondabile deve essere sufficiente per la sua distribuzione tra i blastomeri embrionali in modo da garantire il funzionamento ottimale di ogni cellula fino alla ripresa della replicazione del mtDNA
Altrettanto importante è il contenuto del mtDNA delle cellule della granulosa, all’interno del follicolo ovarico, la competenza dell’ovocita e la qualità dell’embrione è determinata da una rete tra l’ovocita e e cellule della granulosa che lo circondano, le quali svolgono un ruolo importante nella creazione di un pool di mtDNA adeguato durante l’oogenesi. il numero di copie del mtDNA negli embrioni rappresenta il contenuto di mtDNA degli ovociti prima della fecondazione perché il processo di replicazione del mtDNA si ferma fino allo stadio di blastocisti per poi ricominciare

Alterazioni quantitative del mtDNA e fertilità femminile.
Di grande interesse è la recente evidenza che dimostra un’associazione tra il numero di copie del mtDNA nelle cellule della granulosa e quello valutato nelle cellule del sangue periferico, la misurazione del contenuto di mtDNA nel sangue è semplice, rapida e minimamente invasiva. Il contenuto di cellule del sangue periferico mtDNA delle donne che cercavano una gravidanza per più di 12 mesi (donne subfertili) è stato confrontato con quello dei controlli della stessa età che hanno raggiunto una gravidanza in meno di 12 mesi (donne fertili) E’ stato trovato un contenuto di mtDNA significativamente ridotto nelle cellule del sangue di donne subfertili. , donne con un mtDNA / nDNA inferiore a 105 avevano un rischio più di cinque volte maggiore di essere subfertili. È interessante notare che la capacità discriminatoria di questo biomarcatore è risultata aumentata nelle donne più giovani . Quindi il numero di copie del mtDNA delle cellule del sangue periferico possono essere un biomarcatore utilizzabile per la valutazione della fertilità femminile; trattamenti con antiossidanti sono utili per cercare di sovvertire il processo di invecchiamento ovarico.

È stata inoltre osservata una classificazione biologica che mostra i livelli più bassi nei soggetti con insufficienza ovarica prematura (POF) e i più alti in quelli con una normale riserva ovarica. Degno di nota, un livello intermedio di numero di copie di mtDNA / nDNA è stato riportato in pazienti con una scarsa risposta all’iperstimolazione ovarica controllata per la fecondazione in vitro
4. Interventi proposti
Sono stati fatti diversi sforzi di ricerca con l’obiettivo di ridurre o invertire l’impatto dannoso delle alterazioni mitocondriali sulla riproduzione e quindi migliorare la produzione di energia nei gameti e negli embrioni .
Le principali strategie proposte includono il trasferimento dei mitocondri autologhi o eterologhi, o la somministrazione di molecole bioattive, che proteggono dal danno ossidativo e migliorano la capacità complessiva di produzione di energia.
Il coenzima Q10 (CoQ10) è un vettore di elettroni molto importante, ha proprietà antiossidanti critiche, controlla il redox cellulare, influenza l’attività trascrizionale delle cellule ed è necessario per l’attività della succinato deidrogenasi .Prove recenti dimostrano che l’integrazione di CoQ10 in un modello animale invecchiato ritarda l’esaurimento della riserva ovarica, ripristina l’espressione genica mitocondriale degli ovociti e migliora l’attività mitocondriale Il resveratrolo è un potenziale composto polifenolico antietà delle piante ed è presente principalmente nel vino rosso. L’evidenza mostra che il resveratrolo ha un effetto benefico sull’attività mitocondriale Recentemente, Liu et al. ha progettato uno studio volto a valutare l’impatto di varie concentrazioni di resveratrolo sulla maturazione degli ovociti negli esseri umani. Hanno studiato la coltura in vitro in presenza di diverse concentrazioni di resveratrolo e si è visto chee il resveratrolo a una concentrazione pari a 1,0 µm ha aumentato significativamente il tasso di emissione del primo corpo polare negli ovociti umani anziani . Inoltre, l’intensità dell’immunofluorescenza dei mitocondri e la normale morfologia del fuso e del cromosoma degli ovociti sottoposti a maturazione in vitro) erano notevolmente migliorate rispetto ai campioni di controllo. Il resveratrolo può essere considerato promettente nel promuovere la funzione mitocondriale negli ovociti umani.
gli antiossidanti orali, N- acetilcisteina, melatonina, L-arginina, mio-inositolo, carnitina, selenio, vitamina E, complesso vitaminico B, vitamina C, vitamina D + calcio, CoQ10 e omega-3 -acidi grassi polinsaturi possono essere di beneficio nella subfertilità femminile. Continuare a testare quali sostanze naturali può migliorare e far diminuire il processo degenerativo del l’mDNA potrà dare una mano al rallentamento dell’invecchiamento ovocitario.

da Antiossidanti 2021 , 10 (1), 55;