Mapping the human sperm proteome across compartments, donors and individual cells

تُعد خلايا الحيوانات المنوية البشرية من بين أكثر الهياكل تخصصاً في جسم الإنسان، وقد شكلها التطور لمهمة واحدة وحاسمة: إيصال المادة الوراثية إلى البويضة. لعقود من الزمن، اعتقد العلماء أن هذه الخلايا كانت صامتة جوهرياً، حيث أوقفت آلياتها الداخلية لصنع البروتينات الجديدة بمجرد خروجها من الخصية. وقد ترك هذا المنظور فجوة كبيرة في فهمنا للخصوبة لدى الذكور؛ فبينما يستطيع الأطباء عدّ الحيوانات المنوية وقياس حركتها، فإن هذه الاختبارات القياسية تصف مظهر الخلايا بدلاً من شرح سبب فشلها في العمل. وبدون خريطة مفصلة للبروتينات التي تشكل الحيوان المنوي، لم يكن بإمكان الباحثين تحديد الأسباب الجزيئية للعقم أو فهم كيفية تباين هذه الخلايا الدقيقة من رجل لآخر، أو حتى من عينة إلى أخرى لنفس الرجل.

لقد نجح فريق من الباحثين في كوبنهاجن الآن في ملء هذه الفجوة من خلال إنشاء أكثر خريطة تفصيلية لـ "البروتيوم" الخاص بالحيوان المنوي البشري — وهو المجموعة الكاملة من البروتينات الموجودة في خلية الحيوان المنوي — حتى الآن. ومن خلال تحليل عينات من ستة رجال أصحاء، حددوا أكثر من 10,000 بروتين متميز، وهو رقم يتجاوز بكثير التقديرات السابقة. وتكشف هذه الأطلس الشامل أنه بينما تظل الآلية الأساسية للحيوان المنوي مستقرة بشكل ملحوظ بين مختلف الرجال، فإن جزءاً أصغر ولكن مهماً من التركيبة البروتينية يمكن أن يتغير بمرور الوقت. كما طور الباحثون طرقاً جديدة لفصل رأس الحيوان المنوي عن ذيله، مما سمح لهم بتعيين آلاف البروتينات لمواقعها المحددة داخل الخلية. علاوة على على ذلك، نجحوا في قياس البروتينات داخل خلايا الحيوانات المنوية الفردية، مما أثبت إمكانية تحليل هذه الوحدات المجهرية واحدة تلو الأخرى.

بدأت الدراسة بمعالجة سؤال جوهري: أين تعيش هذه البروتينات داخل الحيوان المنوي؟ ينقسم الحيوان المنوي إلى مناطق وظيفية متميزة؛ حيث يحتوي الرأس على المادة الوراثية والأدوات اللازمة لاختراق البويضة، بينما يوفر الذيل، أو السوط، الطاقة والحركة اللازمتين للسباحة. ولأن الخلية لا تستطيع صنع بروتينات جديدة، فإن موقع البروتين يعد دليلاً مباشماً على وظيفته. ولرسم هذه الخريطة، قام الباحثون بفصل رؤوس الحيوانات المنوية عن ذيولها ميكانيكياً. ومن خلال مقارنة قوائم البروتينات من الرؤوس مقابل تلك الموجودة في الذيول، تمكنوا من تعيين آلاف البروتينات التي لم يكن لها موقع سابق إلى مقصورتها الصحيحة. ووجدوا أن الذيل يهيمن عليه البروتينات المشاركة في إنتاج الطاقة والحركة، وتحديداً تلك الموجودة في الميتوكوندريا، والتي تعمل كمحطات طاقة للخلية. أما الرأس، فيحتوي على بروتينات متعلقة بالبنية والآليات اللازمة للتفاعل مع البويضة. وتعد هذه الدقة المكانية أمراً بالغ الأهمية لأنها تسمح للعلماء بربط الخلل الجزيئي بمشكلة سريرية محددة؛ فعلى سبيل المثال، الفشل في بروتينات طاقة الذيل سيؤدي على الأرجح إلى ضعف الحركة، بينما قد يمنع الخلل في بروتينات الرأس عملية الإخصاب.

وبعيداً عن رسم المواقع، استقصى الباحثون مدى اتساق هذه الملفات البروتينية. فقد حللوا عينات من نفس الرجال في أوقات مختلفة لمعرفة ما إذا كان بروتيوم الحيوان المنوي ثابتاً أم يتغير. ووجدوا أنه بينما تظل البروتينات الأكثر وفرة، وخاصة تلك المشاركة في استقلاب الطاقة، مستقرة، فإن جزءاً أصغر من البروتينات يتذبذب بين التبرعات. ويشير هذا إلى أن الحالة الجزيئية للحيوان المنوي ليست ثابتة تماماً وقد تستجيب لعوامل مثل النظام الغذائي أو الوقت المنقضي منذ آخر قذف. وهذا التباين يعني أن عينة واحدة قد لا تروي القصة كاملة عن الصحة الإنجابية للرجل، وأن أخذ عينات متكررة قد يوفر صورة أكثر دقة لحالته الإنجابية الحالية.

ولدفع حدود ما يمكن قياسه، طور الفريق أيضاً سير عمل لتحليل خلية حيوان منوي واحدة. فالخلايا المنوية صغيرة للغاية، وتحتوي على بضعة بيكوغرامات فقط من البروتين، وهو أقل بكثير مما هو مطلوب عادةً للتحليل القياسي. ورغم هذا التحدي، تمكن الباحثون من تحديد ما يصل إلى 1,000 مجموعة بروتينية في خلية واحدة. ويعد هذا الاختراق مهماً لأنه ينقل المجال بعيداً عن متوسط خصائص ملايين الخلايا، والذي يمكن أن يخفي الاختلافات المهمة، نحو فهم الخصائص الفريدة لكل حيوان منوي على حدة. وقد لاحظ الباحثون أن بعض البروتينات في الرأس كانت أكثر عرضة للتحلل أثناء عملية الفرز من تلك الموجودة في الذيل، ويرجع ذلك على الأرجح إلى أن الرأس يحتوي على إنزيمات نشطة يمكنها هضم نفسها إذا لم يتم التعامل معها بعناية. وتسلط هذه النتيجة الضوء على الطبيعة الدقيقة لهذه الخلايا والدقة المطلوبة لدراستها.

كما وجه الباحثون اهتمامهم إلى السائل المحيط بالحيوانات المنوية، والمعروف بالسائل المنوي. هذا السائل هو خليط من إفرازات الخصية والبربخ والغدد الأخرى. ولتفكيك أي البروتينات تأتي من الحيوانات المنوية نفسها وأيها تأتي من الغدد المحيطة، قارنوا بين السائل من الرجال الذين خضعوا لعملية قطع الوعاء الناقل والسائل من الرجال الذين لم يخضعوا لها. فعملية قطع الوعاء الناقل تغلق مسار الحيوانات المنوية، لذا فإن السائل من هؤلاء الرجال يحتوي فقط على إفرازات الغدد، دون مساهمة من الخصية أو البربخ. ومن خلال المقارنة بين المجموعتين، استطاع الفريق تمييز البروتينات التي تنشأ من الأنسجة المنتجة للحيوانات المنوية عن تلك التي تفرزها الغدد الملحقة. ووجدوا أنه بينما تتشارك العديد من البروتينات، فإن المزيج المحدد يتغير بشكل كبير اعتماداً على ما إذا كان مسار إنتاج الحيوانات المنوية مفتوحاً أو مغلقاً، مما يوفر صورة أوضح لأصل مكونات السائل.

أخيراً، طبق الفريق أدواته الجديدة على لغز سريري: الفشل التام في الإخصاب. يحدث هذا عندما تمر الزوجة بعملية إخصاب في المختبر، وبالرغم من وجود حيوانات منوية وبويضات ذات مظهر طبيعي، لا يتكون جنين. وكان الأطباء قد اشتبهوا في أن الفشل يعود إلى خلل في قدرة الحيوان المنوي على الاندماج مع البويضة. ومع ذلك، فإن تحليل الباحثين للحيوانات المنوية من الرجال الذين عانوا من هذا الفشل كشف قصة مختلفة. فبدلاً من العثور على عيوب واسعة النطاق في البروتينات المسؤولة عن الاندماج، اكتشفوا نقصاً مستمراً في البروتينات المتعلقة بالميتوكوندريا واستقلاب الطاقة في الحيوانات المنوية لهؤلاء الرجال. أظهر فرد واحد فقط الخلل المتوقع في بروتينات الاندماج. ويشير هذا إلى أنه بالنسبة للعديد من الرجال الذين يعانون من الفشل التام في الإخصاب، قد يكون السبب الجذري هو نقص الطاقة أو خلل في الاستقلاب بدلاً من عدم القدرة على الاندماج مع البويضة.

يوفر هذا العمل مورداً تأسيسياً لفهم العقم لدى الذكور، منتقلاً بالمجال من مجرد عد الخلايا إلى قراءة تعليماتها الجزيئية. ومن خلال رسم خريطة لبروتيوم الحيوان المنوي عبر مختلف الأجزاء، والمتبرعين، وحتى الخلايا الفردية، أظهر الباحثون أن الحيوان المنوي هو نظام معقد وديناميكي. إن اكتشاف أن خلل الميتوكوندريا قد يكون سبباً متكرراً لفشل الإخصاب يقدم اتجاهاً جديداً للتشخيص والعلاج المحتمل. ومع استمرار تحسن التكنولوجيا المستخدمة في تحليل الخلايا الفردية، ستعمل هذه الخريطة التفصيلية كدليل للكشف عن الأسباب الجزيئية المحددة التي تجعل بعض الحيوانات المنوية تنجح وأخرى تفشل، مما يقربنا من حل لغز العقم لدى الذكور.