Двигательная активность сперматозоидов млекопитающих является необходимым условием поддержания вида у животных. Несмотря на развитие разнообразных вспомогательных репродуктивных технологий, в том числе, применимых для человека, поддержание подвижности мужских половых клеток при действии разнообразных факторов внешней среды не перестало быть актуальной задачей. Исследования влияния изменения силы тяжести на двигательную способность сперматозоидов млекопитающих, возможно, не имеют прямого практического применения, однако, позволяют понять фундаментальные механизмы регуляции подвижности и, кроме того, могут быть полезны при разработке мер защиты мужской репродуктивной системы при освоение дальнего космоса.

Полученные ранее результаты свидетельствуют о том, что скорость движения сперматозоидов мыши снижается через 1 час пребывания в условиях 2g и через 6 часов – в условиях 0g (Ogneva I.V. et al., 2020). Изменения двигательной активности сопроводжаются изменением содержания цитоскелетных белков и уровня фосфорилирования (Ogneva I.V., 2021). Однако можно полагать, что инициация подобных изменений имеет место в самый ранний период экспозиции в измененных гравитационных условиях (Ogneva I.V., 2022). В связи с вышеизложенным, целью данной работы было определение содержания цитоскелетных белков в сперматозоидах мыши через 30 минут экспонирования в условиях воспроизведения невесомости.

Сперматозоиды выделяли из каудального эпидидимиса самцов мышей. Все процедуры с животными были одобрены комиссией по биомедицинской этике ГНЦ РФ – ИМБП РАН (протокол №521 от 25 сентября 2019). Микрогравитационные условия создавали с использованием машины случайного позиционирования (RPM), позволяющей воспроизводить невесомость в среднем за 15 секунд. Культивирование проводили при температуре 370С в течение 30 минут. Для анализа подвижности использовали видеофайлы движения сперматозоидов, полученные с помощью камеры Basler puA1600-60uc с частотой 60 кадров/с и разрешением 2 мегапикселя (Basler AG, Германия). Определение содержания белков проводили методом вестерн-блоттинга с использованием специфичных первичных антител к различным цитоскелетным белкам.

Ожидаемо, через 30 минут экспозиции на RPM скорость движения сперматозоидов мыши не менялась относительно контроля, однако отмечали изменения содержания цитоскелетных белков. Так, в группе RPM достоверно увеличилось содержание бета-тубулина достоверно на 36,5% (p < 0,05), хотя содержание CKAP5, связывающего микротрубочки, снижалось на 24% (p < 0,05). Напротив, содержание бета-актина имело тенденцию к снижению – на 13,3% (p < 0,1), а относительное содержание SVILL, связывающего актиновые филаменты, – увеличивалось на 16% (p < 0,1). При этом относительное содержание фокально-адгезивной киназы FAK, играющей важную роль в ремоделировании цитоскелета подвижных клеток, в группе RPM увеличивалось на 31% (p < 0,05).

Полученные результаты свидетельствуют о том, что даже 30-минутная экспозиция сперматозоидов мыши в условиях, воспроизводящих невесомость, приводит к перестройкам цитоскелета, которые в свою очередь, могут приводить к запуску сигнальных путей и формированию адаптационного структурно-функционального паттерна.

Работа выполнена при финансовой поддержке программы фундаментальных исследований ГНЦ РФ–ИБМП РАН 65.4.

The motor activity of mammalian spermatozoa is a necessary condition for maintaining the species in animals. Despite the development of various assisted reproductive technologies, including those applicable to humans, maintaining the motility of male germ cells under the influence of various environmental factors has not ceased to be an urgent task. Studies of the effect of gravity changes on the motor ability of mammalian spermatozoa may not have direct practical application, however, they make it possible to understand the fundamental mechanisms of regulation of motility and, in addition, can be useful in developing measures to protect the male reproductive system during deep space exploration.

Previous results indicate that the speed of movement of mouse spermatozoa decreases after 1 hour in 2g conditions and after 6 hours in 0g conditions (Ogneva I.V. et al., 2020). Changes in motor activity are accompanied by changes in the content of cytoskeletal proteins and the level of its phosphorylation (Ogneva I.V., 2021). However, it can be assumed that the initiation of such changes takes place in the earliest period of exposure under changed gravitational conditions (Ogneva I.V., 2022). In connection with the foregoing, the purpose of this work was to determine the content of cytoskeletal proteins in mouse spermatozoa after 30 minutes of exposure under conditions of weightlessness simulation.

Spermatozoa were isolated from the caudal epididymis of male mice. All procedures with animals were approved by the Commission on Biomedical Ethics of the SSC RF IBMP RAS (protocol No. 521 of September 25, 2019). Microgravity conditions were created using a random positioning machine (RPM), which allows one to reproduce weightlessness in an average of 15 seconds. Cultivation was carried out at a temperature of 370C for 30 minutes. Motility was analyzed using video files of sperm movement obtained with a Basler puA1600-60uc camera at a frequency of 60 frames/s and a resolution of 2 megapixels (Basler AG, Germany). Determination of protein content was carried out by Western blotting using specific primary antibodies to various cytoskeletal proteins.

As expected, after 30 minutes of exposure to RPM, the speed of movement of mouse spermatozoa did not change relative to the control, however, changes in the content of cytoskeletal proteins were noted. Thus, in the RPM group, the content of beta-tubulin significantly increased by 36.5% (p < 0.05), although the content of CKAP5, which binds microtubules, decreased by 24% (p < 0.05). On the contrary, the content of beta-actin tended to decrease by 13.3% (p < 0.1), and the relative content of SVILL binding actin filaments increased by 16% (p < 0.1). At the same time, the relative content of the focal adhesive kinase FAK, which plays an important role in the remodeling of the cytoskeleton of motile cells, increased by 31% in the RPM group (p < 0.05).

The results obtained indicate that even a 30-minute exposure of mouse spermatozoa under simulating weightlessness leads to rearrangements of the cytoskeleton, which, in turn, can lead to the triggering of signaling pathways and the formation of an adaptive structural-functional pattern.

This work was financially supported by the program for fundamental research SSC RF–IBMP RAS 65.4.