تغییرهای اپی‌ژنتیک و رشدی پیامدهای علمی و اخلاقی برای IVF در انسان

انسان‌ها این ظرفیت را دارند که محیط زیست را اصلاح کنند و از این طریق بر رشد و بقای گونه‌های جانوری و انسان تأثیر بگذارند. درپی آن، یکی از موضوعاتی که اهمیت روزافزونی پیدا کرده است، تأثیرات تغییرات محیطی در مراحل اولیه رشد پستانداران است، که به ویژه در برابر تغییرات محیطی آسیب‌پذیر هستند. در سال ۱۹۹۹ بارکر و همکارانش ارتباط سوء تغذیه مادر در دوران بارداری و خطر ابتلا به برخی بیماری‌ها در بزرگسالی را که شامل خطر بیشتر بیماری عروق کرونر، فشار خون بالا، دیابت نوع دو، سندرم متابولیک و موارد دیگر شرح داده است. فراتر از این کشف منشأ توسعه سلامت و بیماری DO Had نامگذاری شد. پس از آن فرض کردند که این اثر می‌تواند در جنین قبل از لانه گزینی نیز رخ دهد. این موضوع بر روی موش‌ها تأیید شد که نشان داد سوء تغذیه و رژیم کم‌پروتئینی که فقط در مرحله پیش از لانه‌گزینی انجام می‌شد منجر به تغییر رشد مانند وزن کم هنگام تولد و فشار خون غیرطبیعی می‌شود. این اطلاعات برای تحریک تحقیقات در مورد تأثیر فناوری‌های کمک باروری (ART) بر توسعه و برنامه‌ریزی مجدد اپی ژنتیک در قبل از لانه گزینی بسیار مهم بودند.

 زمینه 
وادینگتون در پی کشف قوانین وراثت ژنتیک و برجسته کردن اهمیت توسعه تأکید کرد که دانش زیادی در مورد مکانیسم‌های توسعه وجود ندارد. او این فرایند را اپی ژنتیک نامید، که اکنون به عنوان شرایطی شناخته می‌شود که بیان ژن‌هایی را کنترل می‌کند که به شدت تحت تأثیر محیط هستند. یک تعریف دقیق تر این است: «مطالعه تغییرات در عملکرد ژن که از نظر میتوز و/یا میوتیک قابل ارث هستند و مستلزم تغییر در توالی DNA نیستند». اپی ژنتیک نشان داده است که رشد طبیعی تنها به یک ژنوم سالم بستگی ندارد. برنامه‌ریزی مجدد اپی ژنتیکی مهمی در طول گامتوژنز و دوره قبل از لانه گزینی جنین وجود دارد، به ویژه در ژن‌های نقشه گذاری شده، که با منشأ والدین آنها تعریف می‌شود.

برخی از مکانیسم‌های اپی ژنتیک شناخته شده امروز عبارتند از: متیلاسیون سیتوزین-آدنین. تغییرات هیستون و کنترلی که microRNA‌های مختلف بر بیان ژن دارند. امروزه، اطلاعات زیادی، عمدتاً از مطالعات حیوانی، در مورد تغییرات بالقوه ای که می‌تواند در جنین‌های تولید شده از طریق لقاح آزمایشگاهی (IVF) به دلیل دستکاری و شرایط محیطی مصنوعی مرتبط با این تکنیک‌ها رخ دهد، وجود دارد. کشف شده است که فرایندها و تکنیک‌های مختلف مرتبط با IVF می‌تواند برنامه‌ریزی مجدد اپی ژنتیکی گامت‌ها، جنین‌ها و رشد طبیعی پستانداران را مختل کند.

۱. تخمک گذاری و بلوغ آزمایشگاهی (IVM) گامت‌ها. ۲. تکنیک لقاح: ICSI در مقابل IVF. 3. کشت جنین.

۴. دستکاری جنین: ژنتیکی قبل از لانه گزینی تشخیص و انتقال جنین. ۵. سیگنال دهی مادر به جنین در طول دوره قبل از لانه گزینی

هدف از این بررسی، به روز رسانی اطلاعات موجود در حال حاضر ارائه شده توسط مطالعات حیوانی است که تغییرات فرزندان در مشخصات اپی ژنتیک، رشد، بقا و فنوتیپ مرتبط با محیط مصنوعی که در آن IVF انجام می‌شود را بررسی می‌کند. تخمک گذاری و بلوغ آزمایشگاهی (IVM) گامت‌ها، تکنیک‌هایی هستند که برای افزایش تعداد تخمک‌های تولید شده در تخمدان زنان استفاده می‌شوند. تخمدان با هورمون‌ها تحریک می‌شود تا تعداد بیشتری تخمک تولید شود. این تخمک‌ها معمولاً نابالغ هستند و باید در شرایط آزمایشگاهی بالغ شوند. مطالعات اخیر نشان داده است که تخمک گذاری فوق‌العاده می‌تواند منجر به اختلالات اپی ژنتیکی در تخمک‌ها و جنین‌ها شود که می‌تواند بر رشد آنها تأثیر بگذارد. به‌طور خاص، تغییراتی در نقش ژنومی ژن‌های خاصی مانند Peg1، Kcnq1ot1، Zac، و H19 در تخم‌های به‌دست‌آمده از طریق تخمک‌گذاری در مقایسه با تخمک‌های حاصل از تخمک‌گذاری طبیعی وجود دارد. میزان این تغییرات تحت تأثیر دوز هورمونی مورد استفاده در طی عمل باشد.

علاوه بر اثر تخمک گذاری، بلوغ آزمایشگاهی تخمک‌ها با تغییرات اپی ژنتیکی مرتبط است. یک مطالعه وضعیت متیلاسیون DNA ژن‌های H19، Mest /Peg1 و Igf2R را در طول بلوغ آزمایشگاهی تخمک‌های موش از فولیکول‌های پره آنترال بررسی کرد. نتایج نشان داد که در مقایسه با تخمک‌های جدا شده از تخمدان‌های موش، تخمک‌های وزیکول ژرمینال پس از بلوغ آزمایشگاهی کاهش متیلاسیون در جایگاه‌های Igf2R و Mest/Peg1 و افزایش متیلاسیون در جایگاه H19 را نشان دادند. تغییرات اپی ژنتیکی با کشت اسپرم مرتبط نبوده است، احتمالاً به این دلیل که اسپرم اپیدیدیم برخلاف بلوغ تخمک قبلاً تحت برنامه‌ریزی مجدد اپی ژنتیکی قرار گرفته است. با این حال، تغییرات اپی ژنتیکی اسپرم با ناباروری مردانه در موش، خوک و انسانمرتبط است. پس از آزمایش‌های حیوانی، اسپرم‌ها در مراحل مختلف بلوغ در انسان مورد استفاده قرار گرفته‌اند که منجر به نتایج متناقض و نرخ حاملگی پایین می‌شود. بلوغ در شرایط آزمایشگاهی اسپرم نیز مورد بررسی قرار گرفته است، اما با نتایج بسیار ضعیف. علاوه بر این، اگر نمونه اسپرم برای مدت طولانی ذخیره شود، ممکن است آسیب بیشتری به دلیل تکه‌تکه شدن DNA ناشی از آزادسازی نوکلئاز وارد شود.

فرایند لقاح را می‌توان از طریق دو روش مختلف انجام داد: ICSI و IVF. محققان شواهدی یافته‌اند که نشان می‌دهد تکنیک IVF خاص به کار گرفته شده می‌تواند بر برنامه‌ریزی مجدد اپی ژنتیک و توسعه بعدی تأثیر بگذارد. در حالی که IVF معمولی شامل انتخاب گامت‌ها و جنین‌های با کیفیت بالاتر است، روش رایج و مقرون به صرفه تر مورد استفاده در انسان ICSI است.

ICSIیا تزریق داخل سیتوپلاسمی اسپرم نام دارد که مدل‌های حیوانی برای این تکنیک نامناسب تلقی شدند زیرا رویدادهای فیزیولوژیکی مختلف مانند انتخاب طبیعی اسپرم لقاح دهنده، ظرفیت اسپرم، واکنش آکروزومیک و همجوشی غشایی را دور می‌زند. اثرات ICSI در انسان به‌طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است، از جمله عواملی مانند درصد لانه گزینی، تولد زنده، بروز ناهنجاری‌ها و اختلالات رشدی. با این حال، تحقیقات به‌طور خاص در مورد اثرات اپی ژنتیکی به دلایل اخلاقی در انسان انجام نشده است، که اهمیت مطالعات حیوانی را برجسته می‌کند. و همچنین IVF و ICSI، با خطاهای اپی ژنتیکی مرتبط هستند که عمدتاً مربوط به تغییرات در متیلاسیون DNA است که با استفاده از یک آنتی‌بادی ۵-متیل سیتوزین (5MeC). آن را بررسی موش‌های تولید شده توسط ICSI در مقایسه با موش‌هایی که توسط IVF معمولی تولید می‌شوند، دارای اختلالات رونوشت طولانی مدت هستند، همراه با بی‌نظمی‌های کروماتین در سطح ژنوم در جنین‌های تولید شده از طریق IVF یا ICSI. وهمچنین مشاهده شده است که تکه‌تکه شدن DNA با رشد، سلامت و رفتار غیرطبیعی در فرزندان موش تولید شده توسط ICSI مرتبط است در نتیجه، تلاش زیادی برای انتخاب اسپرم با DNA تکه‌تکه نشده برای بهبود نتایج انجام می‌شود. به‌طور خلاصه، ICSI یک فناوری با راندمان پایین و تغییرات اپی ژنتیکی بیشتر در حیوانات در مقایسه با IVF معمولی است؛ بنابراین کاربرد آن در حیوانات به اندازه انسانها گسترده نیست.

IVF, ICSI یا کشت جنین به معنای قرار گرفتن در معرض ظروف پلاستیکی است که مطالعات مختلف نشت زنواستروژن‌ها، فتالات‌ها و پلیمرهای پلاستیکی را نشان می‌دهد. از آنجایی که بسیاری از مطالعات in vivo و in vitro نشان داده‌اند که این ترکیبات تغییرات اپی ژنتیکی مانند متیلاسیون سیتوزین و/یا استیلاسیون هیستون را القا می‌کنند، قرار گرفتن گامت‌ها و جنین‌ها در معرض ظروف پلاستیکی در طول دستکاری آزمایشگاهی ممکن است ناهنجاری‌های اپی ژنتیکی را ایجاد کند.

کشت جنین بخشی ضروری از کشت آزمایشگاهی (IVC) است و نقش مهمی در برنامه‌ریزی مجدد اپی ژنتیکی و رشد جنین‌های حیوانی تولید شده توسط IVF ایفا می‌کند. برخلاف برخی عوامل دیگر که در بالا ذکر شد، IVC یک فرایند اجباری برای IVF است. تأثیر محیط کشت بر برنامه‌ریزی مجدد اپی ژنتیکی قبل از لانه گزینی و رشد اولیه جنین به‌طور فزاینده ای شناخته شده است. اثرات اولیه مرتبط با کشت جنین آزمایشگاهی شامل نرخ پایین لانه گزینی، اختلال در سرعت رشد، کیفیت جنین و رشد تروفوبلاست، و همچنین برنامه‌ریزی مجدد اپی ژنتیکی غیرطبیعی قبل از لانه گزینی است و علاوه بر آن تفاوت‌هایی در الگوهای mRNA و سرعت رشد بین جنین‌های in vitro و in vivoوجود دارد. این الگوی اپی ژنتیکی می‌تواند به عنوان سیستمی برای انتخاب جنین‌های با کیفیت بهتر عمل کند.

در برخی موارد، این تغییرات با تغییرات اپی ژنتیکی در دوره قبل از لانه گزینی، به ویژه ژن‌های حک شده که نقش کلیدی در رشد جنین و جفت دارند، همراه بوده است. مطالعات اخیر این را نشان می‌دهند که انحرافات سلولی در جفت و جنین با تغییرات بیان ژن و ارتباط انحرافات اپی ژنتیک با متابولیسم گلوکز و رشد جنین در موش‌ها مرتبط است. این می‌تواند نقش مهمی را که ژن‌های حک شده در رشد و تکامل جنین و بزرگسال دارند تحت تأثیر قرار دهد. ناهنجاری‌های جفت و میزان مرگ و میر بیشتر نیز گزارش شده است.

اثر اختلال در تغذیه توسط رژیم غذایی مادر و کشت آزمایشگاهی با تغییرات تکاملی و متابولیکی مرتبط است. تغییرات خاص در متابولیسم گلوکز نیز بین جنین‌های نر و ماده متفاوت است. که نمونه آن رشد غیرعادی ماهیچه‌های اسکلتی در جنین گاو مرتبط با کاهش بیان mRNA برای میوستاتین در جنین‌های تولید شده در شرایط آزمایشگاهی در مقایسه با in vivo است. این ناهنجاری‌ها نه در دوره لانه گزینی، بلکه در مراحل بعدی رشد تشخیص داده می‌شوند.

بعدها مشاهده کردند که نشخوارکنندگانی که از طریق IVF متولد می‌شوند دارای اندازه‌های غیرعادی بزرگ و احشایی هستند. اولین و مهم‌ترین تغییر در فنوتیپ در حیوانات تولید شده توسط IVF، وقوع سندرم فرزندان بزرگ (LOS) است. LOSبا اندازه بزرگ تولد، ناهنجاری‌های شدید در اندام‌های مختلف (به ویژه احشای احشایی)، و تغییرات متابولیک، به‌ویژه در سیستم گلوکز-انسولین مشخص می‌شود. که تغییرات اپی ژنتیکی در LOS بسیار شبیه تغییرات موجود در BWS است. شباهت بین این سندرم‌ها به روشن شدن تغییرات اپی ژنتیک در BWS کمک کرده است. در واقع، یک مطالعه نشان داد که LOS عدم وجود متیلاسیون در آلل مادری در جایگاه KvDMR1 را نشان می‌دهد که یک مشخصه مولکولی اصلی BWS است.

تأثیر محیط کشت بر نتیجه ART یک محدودیت عمده برای این تکنیک‌ها در گونه‌های پستانداران است؛ بنابراین ابتدا توجه ویژه ای به جستجو برای بهترین شرایط محیط کشت شده است که بتواند اثرات مضر آن را بر برنامه‌ریزی و توسعه مجدد اپی ژنتیک به حداقل برساند. و در مرحله دوم تحقیق در مورد چگونگی تشخیص تغییرات عمده در مشخصات اپی ژنتیکی جنین‌های پستانداران تولید شده توسط IVF است.

غلظت اکسیژن در مجرای تخمک از ۱ تا ۹ درصد متغیر است. این مربوط به کشش اکسیژن تقریباً ۱۱–۶۰ میلی‌متر جیوه است. کشت جنین در غلظت‌های بالای اکسیژن مانع از رشد بلاستوسیست، تعداد سلول‌ها و متابولیسم جنین در گونه‌های مختلف می‌شود. غلظت اکسیژن اتمسفر با افزایش گونه‌های اکسیژن فعال (ROS) در مقایسه با کشت با اکسیژن ۵ درصد همراه است. ROS می‌تواند بر سنتز پروتئین و عملکرد و همچنین لیپیدها تأثیر بگذارد و بر ثبات غشای سلولی تأثیر بگذارد و باعث آسیب DNA شود. تشخیص ژنتیکی قبل از لانه گزینی(PGD) که وضعیت ژنتیکی جنین قبل از لانه گزینی را بررسی می‌کند. برای انجام این روش یک یا دو بلاستومر استخراج و از نظر ژنتیکی تجزیه و تحلیل می‌شود. اثرات بیوپسی بلاستومر بر متابولیسم استروئید در موش بررسی شد نتایج نشان داد که موش‌هایی که پس از این روش متولد شدند وزن کمتری داشتند و متابولیسم استروئید را تنظیم نکردند، که می‌تواند اثرات شدیدی بر رشد خلفی داشته باشد. این اختلالات ممکن است به دلیل تغییر الگوهای اپی ژنتیکی در مغز موش رخ دهد. و همچنین الگوی چاپ در جفت و کیسه زرده معنی دارتر است و به دنبال آن دریافتند که بیان دو آللی Kcnq1ot1 با از دست دادن متیلاسیون در آلل مادری جایگاه KvDMR1 مرتبط است، که اغلب با سندرم انسانی Beckwith-Wiedemann (BWS) مرتبط است. این داده‌ها نشان می‌دهد که دستکاری تنها جنین باعث ایجاد الگوی نابجای ژن متیلاسیون می‌شود.

در پستانداران، در مرحله قبل از لانه گزینی، انواع مختلفی از سیگنال‌ها بین مادر و جنین تبادل می‌شود که تصور می‌شود برای رشد و لانه گزینی جنین حیاتی است. یکی از عوامل حیاتی این تبادل سیگنال برای توسعه قبل از کاشت، TGF-β است.

برخی از عناصر مرتبط در مکانیسم‌های اپی ژنتیک مربوط به این فرایند موارد زیر است:

برخی از انواع خاصی از ترانسپوزون‌ها که در برابر متیلاسیون پس از لقاح مقاوم هستند، مانند ذرات A intracisternal-A (IAPs)، رتروترانسپوزون‌های طولانی ترمینال تکرار شونده. جهش‌های De novo در توالی DNA جنین‌های قبل از لانه گزینی مانند: ناهنجاری‌های کروموزومی عددی و ساختاری، جهش‌های نقطه ای، تغییر واریانت شماره کپی (CNV) و تکرار/حذف ریزماهواره ها. اصلاح هیستون و کروماتین. داده‌های بسیار جدید تولید شده با استفاده از Caenorhabditis elegans شواهدی را برای انتقال حالت‌های کروماتین با واسطه گامت نر از طریق چندین دور تکثیر ارائه می‌کند.

 چشم‌انداز 
هدف کلی تحقیقات تولید مثل حیوانات عمدتاً بهبود کارایی اصلاح نژادی، تولیدمثلی و تولیدی در هماهنگی با چالش‌های اکولوژیکی و سلامت حیوانات است. برای این منظور یکی از موضوعات ضروری، بررسی مکانیسم‌های ژنتیکی و اپی ژنتیکی است که رشد جنین قبل از لانه گزینی را در شرایط in vivo و in vitro کنترل می‌کند. تعداد تحقیقات موجود در حیوانات به‌طور قانع کننده ای نشان می‌دهد که ART به ویژه IVF، تغییرات اپی ژنتیکی قابل توجهی ایجاد می‌کند و بیان ژن‌های مختلف، به ویژه ژن‌های چاپ شده را تغییر می‌دهد. در نهایت، ما فکر می‌کنیم که یک نگرانی عمده این است که چگونه به والدینی که به دنبال تکنیک‌های IVF هستند اطلاعات واضح، عینی و محتاطانه ای از دانش در حال تکامل از خطرات احتمالی درگیر در این روش ارائه دهیم.

 منابع 

رده:مقاله‌های ایجادشده توسط ایجادگر