Genetisch
Mannelijke infertiliteit kent vele oorzaken. Een van de oorzaken is te vinden in defecten die ontstaan tijdens de spermatogenese. Zij zijn het gevolg van genetische of somatische factoren. Genetische factoren komen vaak naar voren tijdens het proces van bevruchting maar ontstaan al tijdens de ontwikkeling van de gonaden. Patiënten produceren in dit geval minder sperma dan andere volwassenen en spermatogenese wordt ingebonden bij het begin van de meiose. Somatische factoren komen vooral naar voren in de pre en postpuberale fase. Hierin beïnvloeden zij de spermatogenese negatief als gevolg van secundaire defecten. Het uiteindelijke resultaat is dat er een gelimiteerd aantal spermacellen wordt geproduceerd.
B5.1.0 Chromosomen
Elke lichaamscel bevat normaal 46 chromosomen, waarbij elk paar identiek aan elkaar is. Met andere woorden zijn er dus 23 chromosomenparen. Het 23e paar chromosomen bepaalt het geslacht van een individu, dit zijn de geslachtschromosomen. Dit paar is bij mannen en vrouwen verschillend. Een vrouw heeft twee X-chromosomen, één van haar vader en één van haar moeder. Een man heeft een X-chromosoom afkomstig van zijn moeder, en een Y- chromosoom dat van zijn vader afkomstig is. Het overige 22 paar chromosomen worden ook wel de autosomen genoemd.
Op deze karyogram van een (gezonde) man is te zien dat de chromosomen verschillen in grootte, vorm en structuur. Aan de hand van deze kenmerken worden de chromosomen gerangschikt. Het 23e paar (de geslachtschromosomen) bestaat bij de man uit een Xen een Y-chromosoom. De vrouw heeft 2 Xchromosomen.
Een Y-chromosoom is opgebouwd uit genen en die genen zijn namelijk ook betrokken bij de spermatogenese deletie. Bij de meeste onvruchtbare mannen hebben op yq microdeleties op 3 niet overlappende delen namelijk AZFa, AZFb, AZFc. Er zijn klinische onderzoeken gedaan naar de idiopathische mannelijke infertiliteit en uit het onderzoek bleek dat ongeveer 20% veroorzaakt wordt door een microdeletie van het AZF gebied. Het kwam het meest voor dat AZFc ontbrak bij de onvruchtbare man. Dus de conclusie die je hieruit zou kunnen trekken is dat wanneer AFZc ontbreekt je een verhoogde kans heb als man op onvruchtbaarheid.
De associatie tussen het Y-chromosoom en de infertiliteit is gebaseerd op het ontbreken van het gen dat geassocieerd is met grote deleties op yq. Het wordt moeilijk om vast te stellen welk genotype zorgt voor de onvruchtbaarheid van de man. Er is een artikel recentelijk gerapporteerd dat er een directe relatie gevonden is tussen het Y-chromosoom en de mannelijke onvruchtbaarheid. (4 basenparen in het AZFa gebied). Meer dan 500 onvruchtbare mannen zijn gescreend om deze mutatie in beeld te krijgen. Veranderingen in het genkopienummer zouden ook kunnen leiden tot mannelijke infertiliteit, want deze mutaties zouden ook geassocieerd kunnen zijn met een mislukte spermatogenese die niet ontdekt kan worden en dat is dus niet mogelijk omdat de PCR techniek alleen deleties kan analyseren. De rol van het Y-chromosoom met betrekking tot mannelijke infertiliteit is een belangrijke component van het humane genoom en heeft een essentiële biologische functie zoals menselijke geslachtsdeterminatie en mannelijke onvruchtbaarheid. Uit studies is gebleken dat de kwaliteit van het sperma lijkt te dalen en dat komt vooral voor in de westerse ontwikkelde landen gedurende de laatste decennia. In Parijs schijnt de kwaliteit van het sperma te dalen met 2% per jaar in de laatste 25 jaar. De mogelijke oorzaken hiervoor zouden kunnen zijn dat het afhangt van milieu veranderingen zoals verhoging van industriële verontreinigende stoffen en die zijn geassocieerd met verhogingen van andere anomalieën van het reproductieve systeem dat namelijk ook kan zorgen voor testis kanker en de ontwikkeling van mannelijke genitaliën.
B5.2.0 De ontwikkeling van fouten in de spermatogenese
Er zijn verschillende soorten defecten in de spermatogonia waar te nemen. Hieronder worden de belangrijkste kort besproken.
B5.2.1 Numerieke chromosomale fouten
Het Klinefelter’s syndroom
Dit is het meest voorkomende chromosomale defect dat hypogonadisme en infertiliteit in mannen tot gevolg heeft. Patiënten hebben een ondergeschikt X chromosoom veroorzaakt door fouten in ouderlijke germ cells, 1/3 van de gevallen is van moeders kant en 2/3 van vaderlijke kant. Patiënten met de typische vorm van Klinefelter’s syndroom hebben een testiculair volume dat 80 tot 90% minder is dan dat van gezonde mannen en een zaadlozing bevat weinig tot geen spermatozoa. Biopten wijzen uit dat de seminiferous tubules fibrotisch zijn en dat zij zeldzame spermatogonia bevatten. Patiënten met een chromosomencombinatie van 46 XY/ 47 XXY krijgen na hun meiose 23 X en 23 Y (normaal) 24 XY (abnormaal) karyotype.
XXY Syndroom (47 XYY)
Fouten in het samensmelten van de ouderlijke chromosomen kunnen zorgen voor een niet kloppend paar. Een goed voorbeeld hiervan is het krijgen van een dubbel Y chromosoom, ook wel weergegeven als: 47 XYY. De spermatogenese bij dergelijke patiënten verloopt in vrijwel alle gevallen normaal. Wel heeft onderzoek uitgewezen dat de productie van spermatozoa met disomische en hyperhaploïde karyotypes zoals 24 XY en 24 YY groter is dan in individuen met een normaal aantal chromosomen.
XX mannelijk syndroom
Gedeeltelijke translocatie van genen op het Y-chromosoom, vooral het SRY gen, gedurende de ouderlijke meiose, resulteert in een fenotype man met een gedeelte aan vrouwelijke chromosomen (46 XX). Ongeveer 2% van de mannen met infertiliteit heeft deze vorm. Het SRY gen codeert voor een nucleotide bindend eiwit dat de transcriptie reguleert. Patiënten hebben volledig gedifferentieerde secundaire geslachtskenmerken maar een lengte en gewicht dat onder de maat is en eerder te vergelijken is met dat van een vrouw. Verder is er een teruggenomen volume van de testis waar te nemen en zijn de zaadlozingen vrijwel azoöspermisch.
Mixed gonadal dysgenesis
Dit verschijnsel is waar te nemen in patiënten met een chromosoomsamenstelling van 45 X0 / 46 XY. Gonadale en fenotypische kenmerken zijn volledig vrouwelijk maar er zijn wel abdomiale testikels waarneembaar en verschijnen unilaterally. In buitengewone gevallen zijn er ook gevallen van testikels die achterblijven in de buik, grote terugname in spermatogenese en azoöspermia met primaire onvruchtbaarheid waarneembaar. Doormiddel van testosteron verplaatsings therapie probeert men het doorkomen van secundaire geslachtskenmerken te stimuleren.
B5.2.2 Structuurfouten chromosomen
Autosomen
Analyse van de chromosomen van infertiele mannen heeft uitgewezen dat zij tien keer meer kans hebben op translocatie van genen afkomstig van de autosomen dan mannen die gezond zijn. Dergelijke verplaatsingen zijn vooral waarneembaar op de chromosomen 1,3,5,6,9 en 10. De translocatie van bepaalde genen wordt in verband gebracht met het ontstaan van abnormaalheden in de spermatogenese met alle gevolgen van dien.
Robertsonian translocaties
Spermatogenese wordt teruggebracht als gevolg van gentranslocaties tussen twee acrocentrische chromosomen op het moment dat twee centromeren fuseren.
Peri en paracentrice inversies
Peri en paracentrische inversies op chromosomen worden geassocieerd met een reductie in de spermatogenese, de impact is echter redelijk verwaarloosbaar.
Autosome translocaties
Ongeveer dertig chromosoomtranslocaties worden gezien als het gevolg van fouten in de spermatogenese. Een paar translocaties zijn alleen waarneembaar bij een selecte groep en andere zelfs alleen bij individuen. Toch bevatten vrijwel alle translocaties autosomen. Ondanks dat er al veel kennis is over de autosomen is nog steeds niet bekend hoe de spermatogenese beïnvloedende mechanismen werken.
B5.2.3 Geslachtschromosomen
Xp22 – pter
Het Xp 22 gen syndroom wordt geassocieerd met verschillende defecten zoals het Kallmann syndroom. Dit alles is het gevolg van verlies van het KALIG 1 gen. De impact van het Kallmann syndroom op de spermatogenese is variabel en vindt meestal plaats doormiddel van verlies van de hypotalische neuronen die zorgen voor de secretie van het gonadotropin releasing hormoon die zorgen voor de aanmaak van germ cells.
Translocatie van X chromosomen naar autosomen
Een veel voorkomende fout in de spermatogenese is de translocatie van een Xchromosoom gen naar de autosomen. Patiënten worden hierdoor oligozoöspermisch of azoöspermisch. Het mechanisme van dit principe is niet geheel bekend, maar we weten wel dat germ cells zich niet vertonen om de meiose af te maken aangezien pachytene spermatocyten afkomstig uit het seminiferous epitheel ontbreken.
B5.2.4 Foute plaatsing chromosomen
Kartagener´s syndroom en axoneme defecten
Het Kartagener´s syndroom is verantwoordelijk voor dingen als onvruchtbaarheid, bronchiectasis en situs inversus. Het syndroom is te omschrijven als een autosomaal dominant defect van een onbekende chromosomale oorsprong. De zaadlozing van dergelijke patiënten bevat normale spermatozoa. Echter, zij hebben een gebrek aan dyneine, een eiwit dat verantwoordelijk is voor het verbinden van microtubuli in het axoneem. Aangezien er op meer plaatsen in het lichaam sprake in van een gebrek aan dyneine, steken aandoeningen als infertiliteit, bronchiectasis en situs inversus, de kop op.
Globozoöspermia
Dit defect verwijst naar een situatie waarin acrosomale caps afwezig zijn van spermatozoa. Hierdoor kunnen zij niet binden aan de zona pellucida en zo een bevruchting realiseren. Het defect is een gevolg van een fout gemaakt door het golgisysteem bij de sturing van de acrosomale formatie. Mannen met een normale zaadlozing hebben enkele cellen waarin een acrosoom ontbreekt. Mannen met de boven beschreven aandoening hebben alleen maar acrosoom missende spermatozoa.
Endocriene fouten
Het veranderen van het mannelijke fenotype en het seminiferous epitheel kan alleen plaatsvinden in de aanwezigheid van testosteron en LH. Defecten in de vorming van het mannelijke geslacht verschijnen waneer androgenen onwerkzaam of afwezig zijn tijdens de organogenese. Patiënten met een 46 XY karyotype zijn genetisch, maar niet fenotypisch, man. Zonder een testis is het niet mogelijk een spermatogenese in gang te brengen en seminiferous tubules zijn niet in staat te differentiëren. Op dit niveau is het mogelijk voor de spermatogenese om fout te gaan door het ontbreken van GnRH of door onwerkzaamheid van FSH en LH door gebrek aan testosteron.
B5.2.5 Primair endocriene fouten
Het Kallmann syndroom (hierover volgt verderop meer)
Dit syndroom wordt veroorzaakt door een mutatie of afwezigheid in het KALIG 1 gen, gelegen op het X-chromosoom. Het defect komt in 1:7000 – 8000 geboortegevallen voor. Het KALIG 1 gen is zeer essentieel voor een goed verlopende spermatogenese en door een defect of afwezigheid hierin, wordt de migratie van GnRH neuronen naar de hypothalamus dramatisch belemmerd. De differentiatie van het mannelijke fenotype verloopt normaal, maar kinderlijk, aangezien hypofyse gonadotropische hormonen, die zijn verkregen voor de ontwikkeling van het seminiferous epitheel, gedurende de puberteit onwerkzaam zijn. De spermatogenese wordt in dit geval verstoord door het gebrek aan FSH en testosteron die door het bovenstaande defect niet tot ontwikkeling zijn gekomen. Patiënten zijn meestal azoöspermisch maar spermatogenese kan wel worden opgewekt door hormoonverplaatsingen die GnRH of gonadotropines bevatten.
Het Prader – Labhardt – Willi Syndroom
Dit syndroom is het gevolg van een deletie in het 15q11-13 chromosoom. Deze fout is van ouderlijke afkomst en komt voor bij 1: 15000 geboortes. De deletie op het chromosoom zorgt ervoor dat de regulatie en expressie van genen wordt belemmerd. Hierbij moet vooral gedacht worden aan ZNF127, SNRPN, IPW, PAR-1 en PAR-5. Hypogonadotrofisch hypogonadisme met verhoogde levels van FSH, LH en testosteron zijn het gevolg. Patiënten met het syndroom hebben vaak last van obesitas, een korte lichaamslengte en criptochordisme. Cryptochordisme is een veel voorkomend iets en biopten van de testes wijzen dan ook uit dat het seminiferous epitheel ontregeld is. De Leydig cellen zijn ongedifferentieerd en spermatogenese vindt niet of nauwelijks plaats. Doormiddel van hormonale therapieën kan het seminiferous epitheel gestimuleerd worden om spermatozoa te produceren.
Congentiale Hypopituitarisme
Deze afwijking wordt veroorzaakt door fouten in de transcriptie factor PIT – 1. Hierdoor vinden er structurele en functionele veranderingen plaats in de pituitary gland. Aplasia is een typisch iets hierbij en fusie defecten tussen de voorste en achterste lobben komt tevens veel voor. Het voorkomen van deze afwijking is breed aangezien er vele genen bij betrokken zijn.
B5.2.6 Genetische fouten synthese testosteron
Fouten in 17,20 Desmolase en 17ß Hydroxysteroide Dehysrogenase
De hierboven genoemde stoffen zijn verantwoordelijk voor de biosynthese van testosteron. Autosomale recessieve mutaties resulteren in een grote hoeveelheid enzymatische defecten inclusief het wegblijven van testosteron. Patiënten met dit syndroom hebben vaak verstoringen in hun mannelijke ontwikkeling en soms gaat dit zelfs zover dat zij een compleet vrouwelijk fenotype krijgen. Ook zijn er veel variaties in de ontwikkeling van de secundaire geslachtskenmerken mogelijk en deze zijn dan ook gelinkt aan de mate waarin het testosteron wordt ontwikkeld. De testis blijft vaak achter in het abdomen en het ontwikkelen van germ cells blijft vaak achter door het gebrek aan testosteron. De testikels moeten dan ook vaak chirurgisch worden verwijderd of worden teruggeplaatst in het scrotum om het risico van testikelkanker te verkleinen. Het opwekken van de spermatogenese wordt vaak gedaan met behulp van toediening van testosteron.
B5.2.7 Fouten door medicijnen
Medicijnen die het sperma functie beïnvloeden
Een van de bekendste medicijnen in deze categorie zijn het calciumkanaalblokkers. Zij zorgen ervoor dat acrosomen spontaan verdwijnen en dat er een vermindering is in de binding van mannose aan de oppervlakte van de spermatide. Beide vormen oefenen effect uit op de vruchtbaarheid van de spermatozoa. Cimetidine heeft invloed op de werking van de gonadotropische secretie waardoor Leydig cellen en testosteron verminderd worden geproduceerd. Cyclosporine A oefent zijn negatieve effect vooral uit via de GnRH neuronen die afkomstig zijn uit de hypothalamus. De medicijn effecten zijn echter wel reversibel en de spermatogenese zal dus weer normaal functioneren zodra het medicijngebruik wordt ingebonden.
B5.2.8 Mutaties in FSH en LH
Dat genetische mankementen onvruchtbaarheid kunnen veroorzaken bij mannen en vrouwen is al een tijdje bekend. Normale gonadale werking is afhankelijk van de functie van de pituitary-gonadal axis. Een sleutelrol in dit regelsysteem is weggelegd voor de twee glyco-eiwit hormonen, luteïniserend hormoon (LH) en follikel stimulerend hormoon (FSH). Doordat ze zo belangrijk zijn kunnen mutaties van FSH en LH of hun receptoren (LHR en FSHR) onvruchtbaarheid veroorzaken. De eerste mutatie die werd beschreven was een mutatie in de LH receptor (LHR) in families met een geschiedenis van mannen met gelimiteerde vroegtijdige puberteit en testotoxicosis (1993). De eerste FSHR mutatie werd beschreven bij hypergonadotropische ovaria failure. (1995). Sindsdien zijn er zes mutaties gevonden in het FSHR gen en 28 in het LHR gen. Verandering van het fenotype wordt bepaald door de heterozygotische of homozygotische aard van de mutatie. Mutaties waarbij de functie verloren gaat zijn meestal homozygotische mutaties, wanneer alleen een deel van de functie verloren gaat, gaat het meestal om een heterozygote mutatie. Eerst zullen de mutaties in FSH en FSHR besproken worden, daarna de mutaties in LH en LHR (bio-inactief LH).
FSH
FSH is een heterodimeer glyco-eiwit hormoon dat gemaakt wordt in cellen in de hypofyse en onder invloed van GnRH uit de hypothalamus wordt losgelaten uit de hypofyse. Remming van FSH gebeurt door inhibine, testosteron en het hormoon zelf. FSH lijkt qua structuur heel erg op LH. FSH bestaat uit twee niet-covalent gebonden subunits, de algemene alpha-subunit (ook in LH, CG en TSH) en de specifieke bètasubunit. FSH is essentieel voor de snelle toename van Sertoli cellen in de foetus en voor het begin van spermatogenese in de puberteit. In een volwassen man zorgt FSH, samen met testosteron, voor de snelle toename van de spermatogenese en voor het behoud van een kwantitatieve en kwalitatieve normale spermaproductie. Alle mutaties van FSH zitten in de bèta-subunit. Er zijn twee mutaties bekend die zorgen voor inactiviteit van het FSH gen (bij mannen).
De werking van FSH wordt geregeld door een specifieke celoppervlakte receptor die behoort tot de subfamilie van de G eiwit-gekoppelde receptoren. Wanneer FSH aan zijn receptor bindt, leidt dat tot veranderingen in de conformatie van het eiwit wat resulteert in de activatie van het Gs eiwit en cyclisch AMP. Dit stimulerende pad wordt geremd door hoge fosfodiesterase activiteit en adenosine gerelateerde Gi eiwit functie. Cylisch AMP is de algemene tweede messenger van de werking van FSH. Intacte ligand-receptor interactie is nodig voor een normale hormoon werking en een structurele abnormaliteit van het gonadotropine ligand of zijn receptor kan storingen veroorzaken in de werking van het hormoon en de reproductie functies. Het FSHR gen beslaat een regio van 54 kb en bestaat uit 10 exons en 9 introns. De eerste negen exons coderen voor het extracellulair domein van het FSHR eiwit, exon nummer 10 codeert voor de C-terminus van het extracellulaire domein, het transmembrane domein en het intracellulair domein van het FSHR eiwit. Dit exon heeft een lengte van 1251 basenparen. Het FSHR eiwit bestaat uit 678 aminozuren met een moleculair gewicht van 75 kDa. Meerdere transcriptie initiatie sites zijn gelokaliseerd tussen de nucleotiden -114 en -79, met de grootste site op positie –99. De promotor heeft geen TATA of CCAAT consensus sequentie. Het zeer specifieke patroon van FSHR expressie geeft aan dat de transcriptionele gebeurtenissen die uniek zijn voor Sertoli cellen verantwoordelijk zijn voor de activatie van de transcriptie van het FSHR eiwit. Analyse van FSHR mRNA expressie demonstreerde dat er op zijn minst zes splicing varianten in de testis te vinden zijn. Variërend in grootte van 1,3 tot 1,6 kb, waarvan de grootste het meest aanwezig is.
Mutaties in het extracellulaire domein
Het extracellulaire deel van FSHR is een groot hydrofiel domein bestaande uit 349 aminozuren. Een homozygote mutatie Ala189Val in exon 7 zorgt ervoor dat de receptor inactief wordt. Deze mutatie heeft gevolgen voor zowel de vruchtbaarheid van mannen als vrouwen. Mannelijke patiënten zijn over het algemeen normaal maar hebben een slechte spermakwaliteit. Maar geen enkele man heeft azoöspermia en sommige mannen kunnen toch kinderen krijgen. De Ala189Val mutatie blokkeert de werking van FSH volkomen, dus blijkbaar is FSH niet noodzakelijk voor de spermatogenese. In alle gevallen van mutaties in dit domein van het FSHR zijn de bindingscapaciteit en de signaaltransductie dramatisch gereduceerd. Deze mutaties verhinderen de beweging van de receptor naar het membraan. Bij homozygote mutaties kan het bij mannen tot onvruchtbaarheid leiden, maar bij heterozygote puntmutaties (Asn191Ile en Val341Ala) zijn er geen problemen met de vruchtbaarheid.
Mutaties in het transmembraan domein
Het transmembraan domein bestaat uit 264 aminozuren en heeft zeven hydrofobe alpha helixen die het intracellulaire en het extracellulaire domein met elkaar verbinden. De eerste mutatie die hier werd gevonden was een heterozygote puntmutatie in exon tien, resulterend in een Asp567Gly verandering. De productie van cyclisch AMP lag iets hoger. De patiënt met deze mutatie was onvruchtbaar, maar kon toch kinderen krijgen door een eenmalig testosteron substitutie (het testosteronniveau lag lager dan normaal). In dit deel van het FSHR eiwit hebben mutaties het grootste effect, daarom verwachten onderzoekers hier nog veel meer mutaties te vinden die verantwoordelijk zijn voor onvruchtbaarheid. (Bij de man en de vrouw). In het intercellulaire domein zijn tot nu toe nog geen mutaties gevonden. Verder zijn er nog tal van mutaties die geen enkel effect hebben op de werking van het FSHR (heterozygoot of homozygoot). Hoewel mutaties in het FSHR zeldzaam zijn, bieden ze een hoop inzicht in de rol van FSH bij de reproductieve functie van de testis. Het lijkt zo te zijn dat FSH belangrijker is voor de vruchtbaarheid bij de vrouw dan bij de man, gezien het hoge aantal mutaties dat alleen effect heeft op de vruchtbaarheid bij de vrouw. Dit bewijst dat spermatogenese mogelijk is zonder de aanwezigheid van FSH.
B5.2.9 Bio-inactief LH
Bij LHR zijn de meeste mutaties gevonden in het transmembraan domein. Een mutatie die vaak voorkomt is een mutatie waarbij een basenpaar wordt vervangen in het LHR gen dat codeert voor de bèta-subunit van de LH dimeer. Ook LH heeft een alpha-subunit en een bèta-subunit gelokaliseerd op chromosoom 19. Hierbij vindt vervanging plaats van Gln54 door Arginine. Bij een homozygote mutatie zorgt het voor de afwezigheid van normale puberale ontwikkeling en onvruchtbaarheid. Bij een heterozygote mutatie is het testosteronniveau lager dan bij een gezonde man en is maar een op de vier mannen vruchtbaar. Doordat de receptorbindende activiteit van LH abnormaal is worden de Leydig cellen niet voldoende gestimuleerd om testosteron te maken. Hierdoor ontstaat een tekort aan testosteron en daardoor een slechte spermatogenese. Mutaties in het LHR gen zorgen in geen van de gevallen voor problemen met de geslachtsdifferentiatie.
B5.2.10 Therapieën
Spermatogenese is mogelijk zonder FSH als er maar genoeg testosteron aanwezig is. Soms kan onvruchtbaarheid dus verholpen worden door het testosteronniveau aan te vullen. Behandeling met hCG is vaak ook ineffectief, hoewel ook dit het testosteronniveau omhoog brengt. HCG is een analoog van LH en zorgt in combinatie met menselijk menopausaal gonadotropine voor de stimulering van de Leydig cellen. Momenteel zijn er echter geen specifieke therapieën om de gevolgen van de mutaties in LHR en FSHR te behandelen. Onderzoekers hopen met verder onderzoek methoden te vinden om mensen met een FSHR en LHR mutatie tijdelijk weer vruchtbaar te maken.
Geschreven door: Dhr. Arash Khamooshian , BSc (Universiteit Utrecht, SUMMA,Biomedische Wetenschappen)
Referentielijst:
Encyclopedia of Reproduction Volume 1-4, Disorders of Spermatogenesis, Spermatogenesis, Spermiogenesis.