Увеличение частоты встречаемости ожирения у женщин репродуктивного возраста делает актуальным вопрос о взаимосвязи избыточной массы тела с репродуктивным здоровьем и фертильностью. Установлено, что ожирение у женщин часто сопровождается нарушением овуляции [1, 2], бесплодием [3], снижением частоты наступления беременности [4], потерями эмбриона на ранних сроках [5], врожденными пороками развития плода [6]. У таких женщин отмечается низкое качество ооцитов и снижение эффективности лечения в программе ЭКО [7–9]. Несмотря на многолетние исследования данного феномена в разных странах, механизмы снижения фертильности при ожирении до сих пор до конца не выяснены. На ооцитах и предимплантационных эмбрионах человека было показано, что существует прямая связь между функциональной активностью митохондрий эмбриона и его качеством [10]. При исследовании механизмов реализации потенциала развития ооцитов, определяемого как способность к образованию здорового, жизнеспособного эмбриона, оказалось, что нарушение сегрегации хромосом и прекращение деления клеток часто связаны с дефектами в митохондриях, от которых зависит биоэнергетический потенциал ооцитов [11, 12]. На рекомбинантных мышах, страдающих ожирением, было показано снижение уровня энергетического метаболизма ооцитов и предимплантационных эмбрионов, что коррелировало со снижением частоты наступления беременности [13]. Это позволило предположить, что одним из механизмов, ведущих к репродуктивным неудачам при ожирении, является нарушение функционального состояния митохондриального ретикулума [13, 14]. В работах R. Depalo с соавт. показана прямая корреляция между качеством ооцитов и предимплантационных эмбрионов и индексом массы тела женщины [6]. Исследования в рамках программы лечения бесплодия с использованием вспомогательных репродуктивных технологий продемонстрировали, что снижение вероятности наступления беременности коррелирует со степенью ожирения. Более того, такая зависимость имела место только при использовании аутологичных ооцитов, при использовании же донорских ооцитов, полученных от женщин, имеющих нормальную массу тела, данный эффект был менее выражен. Таким образом, у женщин с избыточной массой тела снижение фертильности зависит не столько от рецептивности эндометрия, сколько от качества ооцитов [7]. Стоит подчеркнуть, что качество ооцита во многом зависит от состояния материнских митохондрий, обеспечивающих энергетические потребности делящегося эмбриона вплоть до момента возобновления митохондриального биогенеза и включения в состав образующихся органелл макромолекул, соответствующих обновленному геному.
В предлагаемом обзоре представлены и проанализированы данные о взаимосвязи функционального состояния митохондрий и проблем фертильности при ожирении.
Митохондрии – цитоплазматические двухмембранные органеллы, присутствующие практически во всех клетках эукариот. Отдельная клетка может содержать от одной до нескольких тысяч митохондрий, и их число зависит от типа ткани и ее метаболической нагрузки. В матриксе митохондрий, помимо ансамблей ферментов, участвующих в энергетическом метаболизме, находятся миторибосомы белок-синтезирующего комплекса и 1–10 копий митохондриальной ДНК (мтДНК). Митохондриальный геном млекопитающих представлен кольцевой двухцепочечной ДНК, кодирующей 13 белков, включая ключевые комплексы цепи переноса электронов [15, 16]. Остальные белковые субъединицы дыхательных комплексов кодируются ядерным геномом клетки и импортируются в митохондрии специальной транспортной системой, локализованной во внешней и внутренней мембране митохондрий. Митохондрии являются единственными клеточными органеллами, которые имеют свою собственную ДНК, кодирующую ряд основных функциональных белков, при этом митохондриальный субгеном находится под постоянным контролем ядра клетки, что обеспечивает высокую лабильность органелл и их постоянную подстройку в зависимости от потребностей клетки.
Считается, что основная функция митохондрий – генерация эквивалента свободной энергии в форме молекул аденозинтрифосфата (АТФ). Кроме того, митохондрии участвуют в регуляции энергетического метаболизма клетки и во внутриклеточной сигнализации, контролируют пролиферацию и дифференцировку клеток, поддерживая гомеостаз клеточной популяции. В последние двадцать лет пристальное внимание исследователей было привлечено к феномену участия митохондрий в реализации каскада реакций программированной гибели клеток – апоптоза. На ранних стадиях онтогенеза участие митохондрий в апоптозе критично для правильного формирования тканей и органов и достижения строгого соответствия их структуры выполняемой функции. Митохондрии являются основным источником активных форм кислорода (АФК), самый распространенный из которых – супероксид анион. На промежуточных этапах переноса электронов в дыхательной цепи митохондрий непрерывно происходит утечка электронов с окислительно-восстановительных центров с образованием продуктов одно- и двухэлектронного восстановления кислорода. Постоянное и составляющее не менее 1% общего количества кислорода образование АФК сопровождается повреждением макромолекул, в том числе липидов, белков и нуклеиновых кислот, находящихся в непосредственной близости к сайтам продукции свободных радикалов в митохондриях [17]. В связи с этим огромное значение приобретают процессы, контролирующие как уровень макромолекул, достаточный для поддержания адекватного функционального состояния клеточных систем, так и уровень АФК [18, 19]. Известно, что при ожирении повышается уровень АФК, которые повреждают мтДНК, увеличивая тем самым вероятность возникновения делеций и точечных мутаций, приводящих к изменениям функционального состояния митохондрий и опосредованному нарушению фертильности [20, 21]. При ожирении, с одной стороны, повышенное содержание липидов дополнительно усиливает утечку электронов из дыхательной цепи митохондрий и, как следствие, увеличивает образование АФК, с другой стороны – АФК взаимодействуют с липидами, приводя к их окислению и усиливая тем самым окислительный стресс и воспалительный процесс [22]. Также при ожирении отмечается повышение уровня провоспалительных цитокинов в крови, которые активируют НАДФН-оксидазный комплекс, локализованный на плазматической мембране клетки и являющийся дополнительным источником образования супероксид аниона.
Особенно следует подчеркнуть важность процессов слияния и деления митохондрий, лежащих в основе клеточной динамики [20, 23]. Эти два тесно связанных между собой процесса контролируют форму, размер и количество митохондрий в клетке, то есть определяют общее морфофункциональное состояние популяции митохондрий, ее адаптацию к метаболическим нуждам клетки, способствуют выживанию клетки. В процесс вовлекаются не только полноценно функционирующие, но и поврежденные или стареющие митохондрии, что способствует их выживанию и препятствует накоплению митохондриальных мутаций. Это своего рода адаптационный защитный механизм, обеспечивающий способность клеток выдерживать высокий уровень поврежденной мтДНК [15, 24].
Было показано, что в клетках, в которых слияние митохондрий снижено, отмечается тяжелый дефект дыхательной емкости [25, 20]. Нарушение равновесия между слиянием и делением митохондрий наблюдается при метаболических расстройствах и нейродегенеративных заболеваниях.
Митохондрии гамет структурно отличаются от митохондрий соматических клеток. В преовуляторных ооцитах митохондрии представлены в виде эллипсоидов или сфероидов с плотным матриксом и небольшим количеством крист [26]. После оплодотворения и имплантации митохондрии переходят в вытянутую гантелеобразную форму с менее плотным матриксом и большим количеством поперечно ориентированных крист [27, 28]. Уменьшение плотности матрикса и увеличение количества крист после оплодотворения сопряжены с повышением уровня утилизации глюкозы и потребления кислорода, что, вероятно, отражает переход с анаэробного на аэробный путь энергетического метаболизма на стадии формирования бластоцисты и имплантации [10]. Несмотря на то что состояние ооцита зависит от полноценного функционирования митохондрий, обеспечивающих необходимый уровень АТФ и поддерживающих клеточный гомеостаз, количество и активность митохондрий должны строго соответствовать стадии созревания яйцеклетки, оплодотворения и дальнейшего развития эмбриона [29, 30]. У мышей на стадии созревания ооцита количество копий мтДНК повышается более чем в 30 раз [31]. В то время как в первичных ооцитах содержится 500 копий мтДНК, в ооците на стадии метафазы II может содержаться от 150 000 до 700 000 копий, при этом наибольшее количество мтДНК содержится в самых зрелых ооцитах [32–35]. Ооциты мышей с относительно низким количеством копий мтДНК чаще всего являются дефектными по сравнению с ооцитами, содержащими большее количество копий мтДНК [34].
В клинических исследованиях показано, что ооциты, успешно оплодотворившиеся in vitro, содержали большее количество копий мтДНК по сравнению с неоплодотворившимися [33]. Эти данные согласуются с предположением, что качество ооцита и его потенциал к оплодотворению зависят от числа копий мтДНК, содержащихся в нем.
Одним из факторов, влияющих на качество ооцитов, является избыточная масса тела. У мышей, получавших питание, приводящее к ожирению, отмечается задержка созревания ооцитов и сниженная способность к дальнейшему развитию, отклонения в формировании веретена деления в ооцитах и нарушения расположения хромосом, что в итоге приводит к развитию эмбрионов с анеуплоидиями [36, 37]. N.M. Grindler и K.H. Moley предполагают, что подобные нарушения функций ооцитов являются результатом дисфункции митохондрий [10]. Диета с высоким содержанием жиров у мышей приводит к дезорганизации митохондрий и изменениям их морфологии в ооцитах – уменьшается количество крист, снижается электронная плотность матрикса, увеличивается количество вакуолей, митохондрии набухают [37].
При этом митохондрии в ооцитах мышей с ожирением образуют агрегаты и беспорядочно расположены в ооплазме, в то время как в группе контроля они располагаются равномерно по всей клетке, а наибольшее их количество сосредоточено в перинуклеарной зоне. Стоит отметить, что распределение митохондрий в ооцитах мышей, страдающих сахарным диабетом, аналогично тому, что наблюдается у мышей с ожирением [13]. Данные о влиянии избыточной массы тела на мембранный потенциал митохондрий в ооцитах мышей противоречивы. В двух работах для оценки мембранного потенциала был использован флуоресцентный краситель JC-1. В работе N. Igosheva с соавт. (2010) [13] наблюдали резкое повышение мембранного потенциала в ооцитах мышей с ожирением, а L.L. Wu с соавт. (2010) сообщают о его снижении [38]. При измерении окислительно-восстановительного потенциала ооцитов было обнаружено, что по сравнению с ооцитами контрольных мышей, в клетках животных с алиментарным ожирением, окислительно-восстановительный потенциал и уровень восстановленного глутатиона были существенно ниже. На этом фоне высокий уровень окисленных флавопротеинов и пиридиновых нуклеотидов в ооцитах мышей экспериментальной группы свидетельствует о том, что ожирение приводит к повышению активности дыхательной цепи митохондрий [13]. Кроме того, скорость продукции АФК более чем в 2 раза повышена в ооцитах и зиготах мышей, страдающих ожирением, по сравнению с контролем [13]. Определение метаболической активности в ооцитах показало значительное снижение уровня цитрата в группе мышей, получавших пищу с высоким содержанием жиров, в то время как различий в содержании АТФ обнаружено не было [37]. Наблюдаемые изменения содержания цитрата могут указывать на наличие митохондриального стресса без значительного негативного влияния на метаболизм ооцита в целом, за счет компенсаторного биогенеза и повышения уровня репликации мтДНК [13]. В совокупности эти данные подтверждают теорию, согласно которой избыточное потребление пищи и, в частности, жиров приводит к увеличению активности митохондрий на фоне индуцированного окислительного стресса, что в конечном итоге приводит к митохондриальной дисфункции и негативно влияет на качество ооцитов [10, 13]. Например, было показано, что в неоплодотворившихся ооцитах женщин с морбидным ожирением (индекс массы тела ≥35,0 кг/м2) значительно чаще, чем у женщин с нормальным весом, обнаруживаются два веретена деления, а среди ооцитов с одним веретеном преобладают клетки с дезорганизованным веретеном и неправильным расположением хромосом [39]. Предполагают, что именно эти нарушения структуры веретена деления в ооцитах женщин с ожирением и ассоциированные с этим дефекты хромосом приводят к высокому уровню анеуплоидии, спонтанным выкидышам и высокой частоте образования аномальных эмбрионов [10, 40] (рисунок, см. на вклейке).
Сегрегация хромосом в метафазе является высоко энергозависимым процессом, то есть ооциту для нормальной работы веретена деления и предотвращения развития анеуплоидий необходим достаточный уровень АТФ, а факторы, нарушающие способность митохондрий синтезировать АТФ, снижают качество ооцитов [41].
Помимо состояния самого ооцита, для его нормального созревания и оплодотворения большое значение имеет состав фолликулярной среды и микроокружение фолликула, состоящее из вспомогательных клеток теки, гранулезы и кумулюсных клеток [16]. Для достижения оптимального созревания ооцита должна осуществляться реципрокная передача сигналов как между разными типами вспомогательных клеток, так и между вспомогательными клетками и ооцитом [42]. Было обнаружено, что гормон лептин не только контролирует метаболизм и аппетит, но и воздействует на энергетический обмен и является одним из сигнальных факторов для репродуктивной системы. Синтез лептина происходит в подкожной жировой ткани и стимулируется эстрогенами, поэтому концентрация лептина находится в прямой зависимости от количества жировой ткани [43]. Доказано, что лептин и его рецепторы экспрессируются как в ооците, так и в кумулюсных клетках [44]. В норме лептин повышает потенциал ооцитов и предимплантационных эмбрионов к дальнейшему развитию посредством передачи сигнала через кумулюсные клетки, а также снижает уровень апоптоза самих кумулюсных клеток [45].
О том, что ожирение негативно влияет на фертильность, известно уже давно. Множество исследований, проведенных на животных и человеке, продемонстрировали, что ожирение приводит к развитию дисбаланса между окислительной и антиоксидантной системами в пользу первой. Развивающийся в результате окислительный стресс и повышение уровня АФК в организме индуцируют хроническое воспаление и приводят к изменениям во всех органах и тканях организма, в том числе и репродуктивных. Изменение микроокружения растущего ооцита нарушает его созревание, отражается на его качестве, способности к оплодотворению и дальнейшему развитию полученного эмбриона.
Дальнейшие исследования путей регуляции метаболизма ооцитов и предимплантационных эмбрионов не только расширят фундаментальные знания о влиянии избыточного веса на функциональное состояние репродуктивной системы, но и позволят направленно рекомендовать женщинам с избыточным весом и ожирением ограничение потребления калорий и увеличение энергозатрат с целью нормализации веса и состояния репродуктивной системы при подготовке к лечению в программе ЭКО, а также обнаружить маркеры для выявления ооцитов лучшего качества с целью повышения положительных исходов лечения в программе ЭКО.
