Влияние внутриклеточного пероксида водорода на качественные показатели спермы петухов в цикле замораживания/оттаивания

Актуальность. Одним из факторов снижения общей подвижности после криоконсервации спермы петухов является влияние повышенной концентрации активных форм кислорода. Морфологические и биохимические особенности строения сперматозоидов птиц, делающие их более восприимчивыми к процессу криоконсервации по сравнению со сперматозоидами млекопитающих, могут также являться причиной, по которой сперма птиц больше подвержена влиянию оксидативного стресса.

Методы. Цели исследования — проследить изменение уровня внутриклеточных активных форм кислорода, в частности пероксида водорода (H2O2), в процессе криоконсервации спермы петухов, оценить его влияние на качественные показатели и жизнеспособность сперматозоидов.

Результаты. Выявлена отрицательная корреляция (r = -0,68, p < 0,05) между внутриклеточным уровнем пероксида водорода и количеством мертвых клеток в нативной сперме. В замороженном (оттаянном) семени между данными показателями наблюдалась слабая взаимосвязь (r = -0,10). Наблюдалось достоверное влияние уровня внутриклеточного пероксида водорода в свежеполученных эякулятах на общую подвижность замороженного (оттаянного) семени (r = -0,65, р < 0,05). Это позволяет сделать предположение, что аналогично со сперматозоидами млекопитающих продуцирование клетками повышенного количества активных форм кислорода (H2O2) в цикле замораживания (оттаивания) негативно сказывается на функциональном статусе митохондрий, которые, как известно, являются основным источником энергии для сперматозоида, обеспечивающей работу кинетического аппарата сперматозоида и его общей подвижности. Были получены данные по индивидуальной изменчивости содержания пероксида водорода в сперматозоидах петухов в возрасте 61 недели в цикле замораживания (оттаивания), позволяющие вести отбор петухов по этому показателю.

1. Blesbois E. et al. Semen Cryopreservation for Ex Situ Management of Genetic Diversity in Chicken: Creation of the French Avian Cryobank. Poultry Science. 2007; 86(3): 555–564. https://doi.org/10.1093/ps/86.3.555

2. Shaffner C.S., Henderson E.W., Card C.G. Viability of Spermatozoa of the Chicken Under Various Environmental Conditions. Poultry Science. 1941; 20(3): 259–265. https://doi.org/10.3382/ps.0200259

3. Tselutin K., Narubina L., Mavrodina T., Tur B. Cryopreservation of poultry semen. British Poultry Science. 1995; 36(5): 805–811. https://doi.org/10.1080/00071669508417825

4. Chalah T., Seigneurin F., Blesbois E., Brillard J.P. In vitro Comparison of Fowl Sperm Viability in Ejaculates Frozen by Three Different Techniques and Relationship with Subsequent Fertility in Vivo. Cryobiology. 1999; 39(2): 185–191. https://doi.org/10.1006/cryo.1999.2201

5. Новгородова И.П., Жилинский М.А., Волкова Н.А., Багиров В.А., Зиновьева Н.А. Криоконсервация семени петухов: основные принципы и методические подходы. Птицеводство. 2016; 8: 2–7. https://elibrary.ru/wicjpn

6. Силюкова Ю.Л., Станишевская О.И., Плешанов Н.В., Курочкин А.А. Эффективность использования комбинаций сахаридов в средах для криоконсервации спермы петухов. Сельскохозяйственная биология. 2020; 55(6): 1148–1158. https://doi.org/10.15389/agrobiology.2020.6.1148rus

7. Thélie A., Bailliard A., Seigneurin F., Zerjal T., Tixier-Boichard M., Blesbois E. Chicken semen cryopreservation and use for the restoration of rare genetic resources. Poultry Science. 2018; 98(1): 447–455. https://doi.org/10.3382/ps/pey360

8. Ehling C., Taylor U., Baulain U., Weigend S., Henning M., Rath D. Cryopreservation of semen from genetic resource chicken lines. Landbauforschung. 2012; 62(3): 151–158.

9. Long J.A., Kulkarni G. An effective method for improving the fertility of glycerol-exposed poultry semen. Poultry Science. 2004; 83(9): 1594–1601. https://doi.org/10.1093/ps/83.9.1594

10. Santiago-Moreno J. et al. Cryoprotective and contraceptive properties of egg yolk as an additive in rooster sperm diluents. Cryobiology. 2012; 65(3): 230–234. https://doi.org/10.1016/j.cryobiol.2012.06.008

11. Long J.A. Avian Semen Cryopreservation: What Are the Biological Challenges? Poultry Science. 2006; 85(2): 232–236. https://doi.org/10.1093/ps/85.2.232

12. Aitken R.J. Reactive oxygen species as mediators of sperm capacitation and pathological damage. Molecular Reproduction and Development. 2017; 84(10): 1039–1052. https://doi.org/10.1002/mrd.22871

13. Ford W.C.L. Regulation of sperm function by reactive oxygen species. Human Reproduction Update. 2004; 10(5): 387–399. https://doi.org/10.1093/humupd/dmh034

14. Pons-Rejraji H., Sion B., Saez F., Brugnon F., Janny L., Grizard G. Rôles des dérivés actifs de l’oxygène (DAO) sur les spermatozoïdes humains et infertilité masculine. Gynécologie Obstétrique & Fertilité. 2009; 37(6): 529–535. https://doi.org/10.1016/j.gyobfe.2009.04.015

15. Baumber J., Ball B.A., Linfor J.J., Meyers S.A. Reactive Oxygen Species and Cryopreservation Promote DNA Fragmentation in Equine Spermatozoa. Journal of Andrology. 2003; 24(4): 621–628. https://doi.org/10.1002/j.1939-4640.2003.tb02714.x

16. Hamilton T.R.d.S. et al. Induced lipid peroxidation in ram sperm: semen profile, DNA fragmentation and antioxidant status. Reproduction. 2016; 151(4): 379–390. https://doi.org/10.1530/rep-15-0403

17. Armstrong J.S., Rajasekaran M., Chamulitrat W., Gatti P., Hellstrom W.J., Sikka S.C. Characterization of reactive oxygen species induced effects on human spermatozoa movement and energy metabolism. Free Radical Biology and Medicine. 1999; 26(7–8): 869–880. https://doi.org/10.1016/s0891-5849(98)00275-5

18. Bilodeau J.-F., Blanchette S., Cormier N., Sirard M.-A. Reactive oxygen species mediated loss of bovine sperm motility in egg yolk Tris extender: protection by pyruvate, metal chelators and bovine liver or oviductal fluid catalase. Theriogenology. 2002; 57(3): 1105–1122. https://doi.org/10.1016/S0093-691X(01)00702-6

19. Guthrie H.D., Welch G.R., Long J.A. Mitochondrial function and reactive oxygen species action in relation to boar motility. Theriogenology. 2008; 70(8): 1209–1215. https://doi.org/10.1016/j.theriogenology.2008.06.017

20. Baumber J., Ball B.A., Gravance C.G., Medina V., Davies‐Morel M.C.G. The Effect of Reactive Oxygen Species on Equine Sperm Motility, Viability, Acrosomal Integrity, Mitochondrial Membrane Potential, and Membrane Lipid Peroxidation. Journal of Andrology. 2000; 21(6): 895–902. https://doi.org/10.1002/j.1939-4640.2000.tb03420.x

21. Parks J.E., Lynch D.V. Lipid composition and thermotropic phase behavior of boar, bull, stallion, and rooster sperm membranes. Cryobiology. 1992; 29(2): 255–266. https://doi.org/10.1016/0011-2240(92)90024-v

22. Long J.A. Applied andrology in chickens and turkeys. Chenoweth P., Lorton S. (eds.). Animal Andrology: Theories and Applications. Boston, MA, USA: CABI. 2014; 197–225. https://doi.org/10.1079/9781780643168.0197

23. Surai P.F., Fujihara N., Speake B.K., Brillard J.-P., Wishart G.J., Sparks N.H.C. Polyunsaturated Fatty Acids, Lipid Peroxidation and Antioxidant Protection in Avian Semen - Review. Asian-Australasian Journal of Animal Sciences. 2001; 14(7): 1024–1050. https://doi.org/10.5713/ajas.2001.1024

24. Mehaisen G.M.K., Partyka A., Ligocka Z., Niżański W. Cryoprotective effect of melatonin supplementation on post-thawed rooster sperm quality. Animal Reproduction Science. 2019; 212: 106238. https://doi.org/10.1016/j.anireprosci.2019.106238

25. Moghbeli M. et al. Are the optimum levels of the catalase and vitamin E in rooster semen extender after freezing-thawing influenced by sperm concentration? Cryobiology. 2016; 72(3): 264–268. https://doi.org/10.1016/j.cryobiol.2016.03.008

26. Surai P.F., Cerolini S., Wishart G.J., Speake B.K., Noble R.C., Sparks N.H.C. Lipid and Antioxidant Composition of Chicken Semen and its Susceptibility to Peroxidation. Avian and Poultry Biology Reviews. 1998; 9(1): 11–23.

27. Khan R.U. Antioxidant and poultry semen quality. World’s Poultry Science Journal. 2011; 67(2): 297–308. https://doi.org/10.1017/S0043933911000316

28. Zhao X., Yang Z.B., Yang W.R., Wang Y., Jiang S.Z., Zhang G.G. Effects of ginger root (Zingiber officinale) on laying performance and antioxidant status of laying hens and on dietary oxidation stability. Poultry Science. 2011; 90(8): 1720–1727. https://doi.org/10.3382/ps.2010-01280

29. Khan R.U., Rahman Z.-u., Javed I., Muhammad F. Effect of vitamins, probiotics and protein on semen traits in post-molt male broiler breeders. Animal Reproduction Science. 2012; 135(1–4): 85–90. https://doi.org/10.1016/j.anireprosci.2012.09.005

30. Sikka S.C. Relative Impact of Oxidative Stress on Male Reproductive Function. Current Medicinal Chemistry. 2001; 8(7): 851–862. https://doi.org/10.2174/0929867013373039

31. Salehi M., Mahdavi A.H., Sharafi M., Shahverdi A. Cryopreservation of rooster semen: Evidence for the epigenetic modifications of thawed sperm. Theriogenology. 2019; 142: 15–25. https://doi.org/10.1016/j.theriogenology.2019.09.030

32. Rui B.R. et al. Impact of induced levels of specific free radicals and malondialdehyde on chicken semen quality and fertility. Theriogenology. 2017; 90: 11–19. https://doi.org/10.1016/j.theriogenology.2016.11.001

33. Amini M.R., Kohram H., Zare-Shahaneh A., Zhandi M., Sharideh H., Nabi M.M. The effects of different levels of catalase and superoxide dismutase in modified Beltsville extender on rooster post-thawed sperm quality. Cryobiology. 2015; 70(3): 226–232. https://doi.org/10.1016/j.cryobiol.2015.03.001

34. Burrows W.H., Quinn J.P. The Collection of Spermatozoa from the Domestic Fowl and Turkey. Poultry Science. 1937; 16(1): 19–24. https://doi.org/10.3382/ps.0160019

35. Dikalov S.I., Harrison D.G. Methods for Detection of Mitochondrial and Cellular Reactive Oxygen Species. Antioxidants & Redox Signaling. 2014; 20(2): 372–382. https://doi.org/10.1089/ars.2012.4886

36. Partyka A., Niżański W., Łukaszewicz E. Evaluation of fresh and frozen-thawed fowl semen by flow cytometry. Theriogenology. 2010; 74(6): 1019–1027. https://doi.org/10.1016/j.theriogenology.2010.04.032

37. Bernal B. et al. Birchen and Blue Leonesa sperm cryopreservation: a new technique for evaluating the integrity of cockerel sperm membranes. British Poultry Science. 2022; 63(2): 244–251. https://doi.org/10.1080/00071668.2021.1955333

38. Richter C., Park J.W., Ames B.N. Normal oxidative damage to mitochondrial and nuclear DNA is extensive. Proceedings of the National Academy of Sciences. 1988; 85(17): 6465–6467. https://doi.org/10.1073/pnas.85.17.6465

39. Liang Q., Dedon P.C. Cu(II)/H2O2-Induced DNA Damage Is Enhanced by Packaging of DNA as a Nucleosome. Chemical Research in Toxicology. 2001; 14(4): 416–422. https://doi.org/10.1021/tx0002278

40. Núñez M.E., Noyes K.T., Barton J.K. Oxidative Charge Transport through DNA in Nucleosome Core Particles. Cell Chemical Biology. 2002; 9(4): 403–415. https://doi.org/10.1016/s1074-5521(02)00121-7

41. Córdova Izquierdo A. et al. Effect of Oxidative Stress on Sperm Cells. Bagatini M.D. (ed.). Glutathione System and Oxidative Stress in Health and Disease. IntechOpen. 2020. https://doi.org/10.5772/intechopen.88499

42. Amaral A., Lourenço B., Marques M., Ramalho-Santos J. Mitochondria functionality and sperm quality. Reproduction. 2013; 146(5): R163–R174. https://doi.org/10.1530/rep-13-0178