Relevance of sperm chromatin protamination, condensation and DNA integrity for sperm function and fertility: the role of toroid linker regions

Abstract

Male fertilising capacity has traditionally been predicted by the assessment of sperm concentration, motility and morphology. During the last few decades, however, research has been particularly focused on the analysis of sperm chromatin, in terms of protamination, condensation and DNA integrity, as a valuable approach to evaluate male fertility. During spermiogenesis nuclear histones are replaced by protamines, resulting in a tightly condensed structure that is stabilised through intra- and inter-protamine disulphide bonds formed during epididymal maturation. This highly condensed organisation protects the paternal genetic information from damaging agents during the transit of sperm through both male and female genital tracts. Poor protamination after spermiogenesis may result in an elevated number of sperm cells with immature chromatin, which is featured by a higher incidence of histone-packed DNA regions; these regions have been described to be more susceptible to DNA damage than those properly protaminated. Sperm DNA fragmentation is defined by the incidence of single- and double-strand breaks caused by oxidative stress and enzymatic activity, respectively. Sperm DNA fragmentation has been associated to poor sperm quality and impaired fertility outcomes both in vitro and in vivo. Because of the relationship between DNA and chromatin integrity, it is reasonable to hypothesise that abnormal chromatin protamination and condensation can also affect sperm DNA negatively, which could ultimately cause male subfertility or infertility. In the light of the aforementioned, the present Doctoral Thesis aimed to investigate the relationship of sperm chromatin protamination and condensation, and DNA integrity with sperm function and fertilising ability.

Tradicionalment, la capacitat fecundant masculina s'ha determinat mitjançant l'avaluació de la concentració, motilitat i morfologia dels espermatozoides. No obstant això, durant les últimes dècades, les investigacions s'han centrat especialment en l'anàlisi del grau de protaminació i condensació de la cromatina espermàtica, i de la integritat de l'ADN, com a paràmetres complementaris per a l'avaluació de la fertilitat masculina. Durant l’espermiogènesi la major part d’histones són substituïdes per protamines, donant lloc a una estructura molt compacta que s’estabilitza mitjançant enllaços disulfur intra- i inter-protamines formats durant la maduració epididimària. Aquesta organització altament condensada protegeix la informació genètica paterna enfront d’agents perjudicials durant el trànsit dels espermatozoides pels tractes genitals masculí i femení. Una protaminació deficient durant l’espermiogènesi pot resultar en un major nombre de cèl·lules espermàtiques immadures, que presenten una incidència més elevada de regions d'ADN compactades per histones. S’ha descrit que aquests regions menys protaminades són més susceptibles de patir dany a l'ADN que aquelles que estan correctament protaminades. La fragmentació de l'ADN espermàtic es defineix per la incidència de trencaments de cadena simple i doble causades per l'estrès oxidatiu i l'activitat enzimàtica, respectivament. Aquesta fragmentació s'ha associat amb una baixa qualitat de l'esperma i una fertilitat menor, tant in vitro com in vivo. Tenint en compte la relació entre la integritat de la cromatina i l'ADN, hom pot suggerir que les anomalies en la protaminació i condensació de la cromatina també poden afectar negativament la funcionalitat espermàtica, la qual cosa podria causar subfertilitat o infertilitat masculina. En aquest context, aquesta Tesi Doctoral va tenir com a objectiu investigar la relació de la cromatina espermàtica, en termes de protaminació, condensació i integritat de l'ADN, amb la funcionalitat espermàtica i la capacitat fecundant dels espermatozoides.