L’impatto dell’inquinamento ambientale sulla fertilità (sia maschile che femminile) è un tema di grande attualità. Molteplici sono gli studi effettuati in proposito e sul fatto che l’inquinamento possa arrecare notevoli danni alla fertilità c’è una effettiva convergenza da parte dei ricercatori. L’inquinamento è infatti considerata una delle cause del vertiginoso aumento soprattutto della infertilità maschile. Si parla di una riduzione della concentrazione degli spermatozoi di oltre il 50% nell’ultimo mezzo secolo nei paesi occidentali ed oltre alla diminuzione della concentrazione degli spermatozoi si è osservata anche una riduzione della loro vitalità e mobilità. Studi recenti hanno indicato che alcuni inquinanti possono modificare anche la struttura del DNA. Pertanto, abbiamo effettuato uno studio proprio per comprendere i meccanismi attraverso i quali avveniva la rottura del DNA dello spermatozoo.
Tale studio rientra nell’ambito del progetto Ecofood Fertility (www.ecofoodfertility.it), un progetto che è partito da Acerra e oggi coinvolge diverse istituzioni ed università italiane e europee. Tale progetto è stato ideato e coordinato dal Dott. Luigi Montano, UroAndrologo dell’ASL di Salerno e Presidente della Società Italiana di Riproduzione Umana (www.siru.it), che ha avuto l’idea di studiare gli spermatozoi, particolarmente sensibili all’inquinamento, come marker di esposizione ambientale, trasformando gli studi sulle cause dell’infertilità in un efficace strumento di monitoraggio, sorveglianza e prevenzione in aree a rischio. Il seme maschile, inoltre, come afferma Il dott. Montano, ci permette di monitorare gli effetti dell’inquinamento non solo sulla fertilità, ma anche sulla salute in generale, per esempio l’aumento dello stress ossidativo e dell’infiammazione. Il liquido seminale umano viene quindi considerato come sentinella precoce della salute ambientale e generale.
Il nostro studio, volto a comprendere i meccanismi attraverso i quali avviene la rottura del DNA dello spermatozoo è partito dalla osservazione che i livelli di frammentazione del DNA spermatico erano risultati sorprendentemente più elevati in soggetti residenti in aree ad alto impatto ambientale, come la Terra dei Fuochi. In questa area, da studi precedenti condotti dal gruppo di ricerca (Bergamo P, Volpe MG, Lorenzetti S, et al. Human semen as an early, sensitive biomarker of highly polluted living environment in healthy men: A pilot biomonitoring study on trace elements in blood and semen and their relationship with sperm quality and RedOx status. Reprod Toxicol. 2016;66:1-9. doi:10.1016/j.reprotox.2016.07.018), si era anche osservata nel liquido seminale, la presenza di un eccesso di rame ed il cromo, capaci di indurre la reazione di Fenton, una reazione che porta alla formazione di radicali liberi estremamente reattivi, in grado di attaccare qualsiasi macromolecola compreso il DNA. Il nostro studio apre uno scenario ancora più preoccupante, mostrando come proprio le proteine nucleari basiche di spermatozoi (protammine e istoni) possano essere coinvolte nella frammentazione del DNA di spermatozoi. Partendo dalla osservazione che gli individui residenti nella Terra dei Fuochi mostrano una percentuale media di frammentazione del DNA spermatico superiore al 30%, e che la frammentazione del DNA è una delle principali cause di infertilità, abbiamo analizzato le proteine nucleari basiche di spermatozoi umani in 240 individui; 160 residenti nella Terra dei Fuochi e 80 in zone a basso impatto ambientale, residenti nella provincia di Salerno. Normalmente nello spermatozoo umano si ritrova circa l’85% di protammine e il 15 % di istoni.
Le protammine sono piccole proteine, estremamente basiche perché ricche nell’aminoacido arginina, che organizzano il DNA degli spermatozoi facendo assumere alla cromatina di spermatozoi una struttura estremamente compatta che è pregiudiziale per la capacità di nuoto dello spermatozoo e quindi della sua capacità fecondante. Pertanto il rapporto canonico protammine/istoni deve essere 85-15% affinchè lo spermatozoo sia in grado di fecondare. Anche il rapporto tra le due protammine umane P1 e P2 è fondamentale per la capacità fecondante dello spermatozoo e deve aggirarsi tra 0.8 e 1.2. La nostra analisi del rapporto protammine/istoni negli individui della Terra dei Fuochi ha rivelato una sostanziale differenza con quanto riscontrato in aree a basso impatto ambientale. Mentre in aree a basso impatto ambientale, quasi tutta la popolazione (95%) presentava il rapporto canonico protammine/istoni, nella Terra dei Fuochi abbiamo riscontrato che la stragrande maggioranza della popolazione presentava solo istoni (62%); una piccola fetta della popolazione (16%) presentava il rapporto canonico protammine/istoni; mentre la restante parte (22%) presentava un rapporto non canonico protammine/istoni. Quest’ultima categoria risultava piuttosto eterogenea. Inoltre abbiamo riscontrato anche una ridotta capacità di legame al DNA, dei campioni proteici appartenenti ai gruppi di individui della Terra dei Fuochi, che presentavano solo istoni o un rapporto protammine/istoni non canonico, rispetto ai campioni proteici, presentanti un rapporto canonico protammine/istoni, di individui residenti in aree a basso impatto ambientale.
Attraverso tecniche più sofisticate, abbiamo anche dimostrato che perfino i campioni proteici degli individui residenti nella Terra dei Fuochi ma presentanti un rapporto canonico protammine/istoni legavano il DNA con una modalità diversa. L’alterato rapporto protammine/istoni e la ridotta capacità di legame al DNA di queste proteine, da noi riscontrato, negli individui della Terra dei Fuochi fa presupporre una incapacità nella formazione di una corretta struttura cromatinica di spermatozoo che, come detto precedentemente, risulta fondamentale per la capacità fecondante dello spermatozoo. Infine, dato che, per le loro caratteristiche, gli spermatozoi sono le cellule più sensibili all’accumulo di DNA danneggiato, e in un precendente lavoro abbiamo dimostrato che i residui di arginina sono rilevanti nella rottura del DNA indotta da alcuni metalli come il rame (Piscopo M, Trifuoggi M, Scarano C, Gori C, Giarra A, Febbraio F. Relevance of arginine residues in Cu(II)-induced DNA breakage and Proteinase K resistance of H1 histones. Sci Rep. 2018;8(1):7414. Published 2018 May 9. doi:10.1038/s41598-018-25784-z), nel presente lavoro, abbiamo esteso i nostri precedenti risultati indagando sul coinvolgimento delle proteine basiche nucleari degli spermatozoi degli individui delle Terra dei Fuochi nella frammentazione del DNA. Abbiamo scoperto che tutti i campioni proteici di questi individui erano coinvolti nella frammentazione del DNA supportando l’idea che queste proteine, potrebbero promuovere la reazione di Fenton in prossimità del DNA aumentando la disponibilità di questi metalli vicino alla superficie legante del DNA. La frammentazione del DNA fra tutti i campioni analizzati risultava più rilevante in quelli che presentavano protammine e istoni ma in rapporto non canonico. Tale risultato potrebbe essere spiegato in virtù del fatto che in letteratura è riportato che le protammine sono capaci di legare il rame mentre gli istoni il cromo.
Inoltre il cromo è un metallo che inibisce le acetilasi istoniche, enzimi molto importanti che permettono la sostituzione degli istoni con le protammine durante la spermatogenesi. La presenza del cromo nel seme degli individui della Terra dei Fuochi potrebbe spiegare l’elevata percentuale (62%) di individui che presentano solo istoni nei loro spermatozoi. In conclusione, il nostro studio pubblicato da pochi giorni sulla prestigiosa rivista Interational Journal of Molecular Sciences (Lettieri G, D’Agostino G, Mele E, et al. Discovery of the Involvement in DNA Oxidative Damage of Human Sperm Nuclear Basic Proteins of Healthy Young Men Living in Polluted Areas. Int J Mol Sci. 2020;21(12):E4198. Published 2020 Jun 12. doi:10.3390/ijms21124198), innanzitutto rivela un nuovo e inatteso comportamento delle proteine basiche nucleari di spermatozoi umani nella frammentazione del DNA, fornendo nuove informazioni per comprendere i meccanismi relativi ai processi in cui il danno ossidativo al DNA è implicato, come ad esempio in diverse malattie ma fornisce delle importanti indicazioni sulla preoccupante situazione riproduttiva degli individui della Terra dei Fuochi testati, in considerazione del fatto che il campionamento è stato fatto quasi esclusivamente su ragazzi diciottenni.
Leggi l’articolo in inglese su Pubmed.ncbi.nlm.nih.gov
Prof.ssa Marina Piscopo
Professore Aggregato di Biologia molecolare
Dipartimento di Biologia; Università di Napoli Federico II
