Kesalahan Meiosis pada Spermatogenesis dan Oogenesis Manusia

Jurnal ini bertujuan untuk membahas dan mengetahui apakah ada kesalahan meiosis pada oogenesis dan spermatogenesis manusia sekaligus melihat apakah ada hubungan antara umur orangtua terhadap kelainan kromosom sehingga dapat mengetahui langkah terbaik untuk kehamilan.

Tujuan

Kesalahan meiosis sangat umum terjadi pada manusia, dengan frekuensi kelainan kromosom setidaknya menempati urutan tertinggi jika dibandingkan dengan hewan. Kejadian kelainan kromosom sekitar 0,6% pada bayi baru lahir, 6% pada bayi lahir mati, dan 60% pada aborsi spontan (aborsi spontan merupakan istilah medis dari keguguran). Kebanyakan kelainan kromosom bersifat mematikan dan hilang pada awal perkembangan embriologis, bermanifestasi sebagai infertilitas atau aborsi spontan. Beberapa kelainan kromosom bertahan hingga masa tertentu, misalnya trisomi 13, 18, 21, aneuploidi untuk kromosom seks, dan penataan ulang kromosom tertentu. Individu dengan anomali kromosom ini dapat memiliki cacat mental dan fisik, infertilitas, serta masalah perilaku dan gangguan perkembangan seksual. Penyebab perbedaan kejadian kelainan kromosom antara manusia dan spesies lain tidak diketahui, tetapi jelas bahwa sebagian besar kesalahan dihasilkan selama meiosis. Oleh karena itu, mempelajari penyebab kelainan kromosom dan faktor-faktor yang mempengaruhi frekuensinya dengan mempelajari gamet manusia merupakan hal yang menguntungkan. Selama beberapa dekade terakhir, telah terjadi ledakan penelitian tentang etiologi kelainan kromosom baik pada wanita maupun pria. Hal ini sebagian besar karena ketersediaan oosit manusia dan embrio dari IVF (in vitro fertilization), diagnosis genetik praimplantasi (PGD) dan teknologi baru yang memungkinkan akses ke pelengkap spermakromosom manusia. Baik oosit manusia dan spermatozoa rentan terhadap kelainan numerik dan kromosom struktural, tetapi jelas bahwa sebagian besar kesalahan numerik (aneuploidi) terjadi selama oogenesis dan ini menyebabkan beban terbesar pada manusia.

Oogenesis

Kejadian Abnormalitas Kromosom

Sejumlah penelitian tentang kelebihan oosit untuk kebutuhan program IVF telah menunjukkan bahwa sekitar 20% oosit memiliki kelainan numerik dan 1% memiliki kelainan struktural. Dengan demikian, oogenesis sangat rentan untuk memproduksi gamet aneuploid. Aneuploid merupakan kondisi dimana embrio mengalami kelainan kromosom, baik penambahan atau pengurangan kromosom, yang menyebabkan embrio tidak dapat berkembang dengan normal dan umumnya akan terjadi kegagalan. Sebagian besar penelitian ini dilakukan pada pasien yang mengalami infertilitas dan telah diobati dengan hormon, dengan demikian, frekuensi mungkin dianggap terlalu tinggi. Kesalahan yang menyebabkan aneuploid dapat terjadi baik pada yang pembelahan meiosis pertama maupun kedua, tetapi untuk sebagian besar kesalahan kromosom terjadi pada meiosis I. Kemungkinan besar, hal ini berkaitan dengan fakta bahwa pembelahan meiosis pertama dimulai sebelum lahir (pada masa janin) dan kemudian mengalami keadaan mati suri sampai meiosis dilanjutkan tepat sebelum ovulasi.

Distribusi Aneuploid

Semua kromosom rentan terhadap kesalahan selama oogenesis, karena potensi terjadinya aneuploidi terhadap kromosom dapat terjadi kapan pun dan aborsi spontan merupakan fakta yang muncul akibat terjadinya aneuploidi pada kromosom. Pada oosit dan embrio awal, komplemen kromosom hipohaploid (nullisomic) dan hyperhaploid (disomic) dapat diamati, namun, pada aborsi spontan dan bayi baru lahir, pada dasarnya hanya satu monosomi (45.X0). Jadi, kebanyakan monosomi pasti mematikan selama embriogenesis awal, bahkan mungkin sebelum terjadinya implantasi. Kromosom yang paling sering diamati pada oosit metafase II aneuploid adalah Kromosom kelompok D, E, dan G dengan kromosom 21, 22, dan 16 menjadi kromosom yang paling sering diamati pada sebagian besar penelitian. Dengan demikian, kromosom kecil lebih rentan terhadap kesalahan meiosis.

Non-Disjunction atau Pra-Pembelahan

Selama bertahun-tahun, diasumsikan bahwa non-disjungsi (kondisi di mana kromosom homolog tidak terlepas pada meiosis I atau sister chromatid tidak terpisah pada meiosis II) adalah penyebab gamet aneuploid. Namun, pada tahun 1991 Angell melaporkan kesalahan kromatid tunggal dalam metafase meiosis II dari oosit manusia. Angell menyarankan bahwa kromatid telah muncul sebagai akibat dari pembelahan prematur sentromer pada meiosis I (‘pra-pembelahan’). Angell mengkonfirmasi hasil awal ini dengan studi lebih lanjut dan menyarankan bahwa pra-pembelahan adalah penyebab utama aneuploidi manusia. Studi selanjutnya pada oosit IVF menggunakan sitogenetika konvensional dan analisis hibridisasi in-situ fluoresensi (FISH) menunjukkan bahwa non-disjunction klasik dan pra-pembelahan merupakan penyebab penting oosit aneuploid.

Usia Ibu

Usia ibu dikenal sebagai faktor yang paling signifikan dalam etiologi aneuploidi. Banyaknya studi yang telak dilakukan pada bayi baru lahir manusia, aborsi spontan, embrio dini, dan oosit telah menegaskan kembali efek signifikan usia ibu pada kejadian aneuploidi. Efeknya sangat dramatis dimana ilmuwan memperkirakan bahwa untuk wanita di bawah usia 25 tahun, sekitar 2% dari kehamilan secara klinis adalah trisomik, sedangkan untuk wanita di atas 40 tahun, frekuensi ini meningkat menjadi sekitar 35%.

Ada banyak teori tentang penyebab efek usia ibu. Salah satu teori awal yang mendapat perhatian baru-baru ini adalah gagasan bahwa pembuahan yang tertunda dan penuaan oosit adalah etiologi dari efek usia ibu (karena wanita yang lebih tua dianggap lebih jarang melakukan hubungan seksual). Namun, sejumlah penelitian pada hewan di berbagai spesies telah menunjukkan bahwa pembuahan oosit yang tertunda menyebabkan poliploidi, bukan aneuploidi. Selanjutnya, oosit yang diovulasi berada pada tahap metafase II sampai dibuahi. Dengan demikian, setiap efek fertilisasi tertunda hanya dapat menjelaskan non-disjuction selama meiosis II, namun sebagian besar kesalahan terjadi selama Meiosis I. Teori lain menyatakan bahwa wanita yang lebih tua memiliki seleksi yang kurang ketat terhadap janin aneuploid, sehingga lebih sedikit janin dengan kelainan kromosom yang diaborsi dan, oleh karena itu, lebih banyak yang akhirnya terlahir. Namun, jika itu semata-mata masalah seleksi ibu, maka asal ayah dari keturunan trisomik akan menjadi tidak penting. Faktanya, pengaruh usia ibu hanya diamati pada kasus asal ibu; dengan demikian, oogenesis menjadi penyebab efek usia ibu.

Rekombinasi dan Aneuploidi

Banyak bukti telah dikumpulkan selama beberapa tahun terakhir bahwa rekombinasi meiosis memiliki efek yang signifikan pada genesis aneuploidi. Perubahan rekombinasi telah dibuktikan terkait dengan kasus trisomi 15, 16, 18, 21 dan kromosom seks. Untuk banyak kromosom, pengurangan rekombinasi menyebabkan homolog achiasmate yang tidak memiliki kemampuan untuk diorientasikan dengan benar pada spindel untuk segregasi normal. Namun, beberapa kromosom juga dipengaruhi oleh lokasi wilayah rekombinasi (misalnya kromosom 21) dengan beberapa wilayah memberikan peningkatan risiko gamet aneuploid.

Wanita Infertilisasi

Ada beberapa bukti bahwa wanita tidak subur memiliki risiko lebih tinggi mengalami aneuploid oosit dibandingkan dengan wanita subur. Peneliti mempelajari oosit dari wanita subur yang menjalani sterilisasi bedah. Mereka tidak menemukan oosit hiperhaploid dan 21% komplemen hipohaploid. Namun, ini hanya didasarkan pada 56 kariotipe, karena bahan ini sulit diperoleh. Peneliti lain mencoba membandingkan frekuensi aneuploidi pada embrio PGD (Pre-implantation Genetic Diagnosis) dari pasien infertil dan donor oosit normal. Kedua kelompok berusia 18-34 tahun. Mereka menemukan frekuensi embrio normal yang lebih tinggi secara signifikan pada kelompok donor (43%) dibandingkan dengan kelompok infertil (34%), menunjukkan lagi bahwa wanita infertil memiliki risiko lebih tinggi untuk memproduksi embrio aneuploid. Stimulasi hormonal yang digunakan untuk memperoleh oosit dalam jumlah besar diduga sebagai penyebab potensial aneuploidi. Kondisi kultur yang digunakan dalam IVF juga telah dipertanyakan, dan penelitian pada tikus telah menunjukkan bahwa manipulasi halus dari kondisi in-vitro dapat menyebabkan non-disjungsi mitosis.

Spermatogenesis

Abnormalitas Kromosom

Studi tentang kelainan kromosom pertama kali menjadi mungkin pada tahun 1978 dengan munculnya oosit sperma-hamster manusia sistem fusi. Oosit hamster mengaktifkan kembali kromatin sperma manusia dan pronuklear kromosom sperma dapat dianalisis secara rinci dengan penggunaan teknik pita. Laboratorium di Kanada, Amerika Serikat, Jepang, dan Spanyol memberikan perkiraan yang sangat konsisten dari 1-2% spermatozoa aneuploid pada donor kontrol normal. Frekuensi kelainan struktural menunjukkan lebih banyak variabilitas, dengan frekuensi 6%hingga 13%. Kebanyakan studi melaporkan rata-rata 6-7% anomali struktural. Dengan demikian, kelainan struktural jauh lebih umum daripada kelainan numerik pada sperma manusia. Sebagian besar dari kesalahan adalah pemutusan kromosom dan fragmen asentrik, yang akan konsisten dengan asal pasca-meiosis. Itu mungkin bahwa kerusakan kromosom ini dapat disembuhkan dalam oosit sitoplasma setelah pembuahan. Jika tidak sembuh, sebagian besar kelainan struktural ini akan hilang secara aborsi spontan.

Distribusi Aneuploidi

Teknik oosit sperma-hamster manusia telah digunakan untuk mempelajari distribusi kelainan kromosom sehingga memberikan petunjuk tentang etiologi non-disjunction. Semua kromosom jelas rentan terhadap non-disjunction, tetapi kromosom kelompok G (kromosom 21 dan 22) dan kromosom seks memiliki frekuensi yang lebih tinggi secara signifikan mengalami aneuploidi dibandingkan dengan kromosom lain. Kariotipe sperma manusia menggunakan sistem hamster, memberikan informasi rinci tentang masing-masing kromosom individu, memungkinkan analisis kedua numerik dan kelainan struktural. Namun, ada kelemahan signifikan menggunakan pendekatan ini yaitu spermatozoa harus mampu membuahi oosit hamster, tekniknya sangat sulit, memakan waktu, dan mahal, serta hasil datanya kecil. Faktanya, hanya 12 laboratorium di seluruh dunia yang berhasil dengan teknik ini, meskipun banyak laboratorium yang mencobanya.

Analisis FISH (Fluorescence In Situ Hybridization) dengan probe DNA spesifik kromosom dikembangkan pada 1990-an, menyediakan metode yang lebih cepat, lebih murah, dan lebih mudah sebagai alternatif untuk mendeteksi aneuploidi yang terjadi pada spermatozoa manusia. Selain itu, spermatozoa yang terhambat oleh kelainan motilitas atau aspek fertilitas dapat dinilai menggunakan analisis FISH. Teknik FISH sekarang telah digunakan oleh banyak peneliti dilaboratorium seluruh dunia untuk penilaian aneuploidi di spermatozoa manusia serta dalam oosit dan embrio. Studi tentang distribusi aneuploidi di antara kromosom menggunakan analisis FISH mengkonfirmasi studi awal dalam kariotipe sperma. Peneliti menemukan bahwa sebagian besar individu autosom memiliki frekuensi disomi sekitar 0,1%, atau satu dari 1000 sperma. Namun, sekali lagi, ada peningkatan yang signifikan untuk kromosom 21 (0,29%) dan kromosom seks (0,43%). Beberapa laboratorium belum menemukan peningkatan frekuensi non-disjunction untuk kromosom ini, namun laboratorium lainnya telah mengkonfirmasi hasil peningkatan disomi untuk kromosom 21 dan kromosom seks. Hasil terbaru pada kromosom 22 menunjukkan bahwa kromosom ini juga memiliki tingkat frekuensi tinggi untuk mengalami disomi.

Usia Ayah

Pertanyaan apakah ada pengaruh usia ayah terhadap kelainan kromosom telah diperdebatkan selama bertahun-tahun. Studi epidemiologis dan molekuler telah memberikan hasil yang bertentangan. Analisis kariotipe spermatozoa menggunakan manusia pendekatan fusi oosit sperma-hamster tidak menemukan bukti peningkatan frekuensi aneuploidi seiring bertambahnya usia, tetapi ada peningkatan yang signifikan terhadap kelainan struktural dengan usia ayah. Sejumlah penelitian FISH telah menjawab pertanyaan tentang pengaruh usia ayah pada aneuploidi. Banyak penelitian belum menemukan pengaruh usia ayah. Studi yang memiliki menunjukkan peningkatan spermatozoa aneuploid dengan paternal usia umumnya terbatas pada kromosom seks. Dengan demikian, ada beberapa bukti bahwa non-disjunction pada meiosis meningkat pada kromosom seks dengan bertambahnya usia ayah, tetapi pengaruhnya kecil. Dengan demikian, spermatogenesis lanjutan pada pria yang lebih tua dapat menghasilkan peningkatan risiko kelainan struktural.

Pria Infertilitas

Kelainan kromosom konstitusional sering terjadi pada pria tidak subur, dengan frekuensi bervariasi antara 2% dan 14%, tergantung pada tingkat keparahan infertilitas. Kelainan ini (misalnya translokasi, inversi, dan kelainan kromosom seks) pasti meningkatkan frekuensi sperma abnormal kromosom. Dengan munculnya ICSI (intracytoplasmic sperm injection), telah menjadi jelas bahwa pria tidak subur dengan somatik normal kariotipe juga memiliki peningkatan risiko kromosom sperma yang tidak normal. Laboratorium penulis adalah yang pertama melaporkan bahwa pria infertil dengan kariotipe 46, XY normal memiliki peningkatan risiko kelainan untuk autosomal dan kromosom seks pada spermatozoa mereka. Laboratorium lain telah mengkonfirmasi hubungan peningkatan frekuensi aneuploidi sperma pada pria tidak subur. Selanjutnya, laporan berdasarkan diagnosis prenatal di Kehamilan ICSI menunjukkan peningkatan risiko kedua autosomal dan trisomi kromosom seks yang berasal dari pihak ayah, menguatkan produksi sperma. Studi pertama tentang kromosom sperma, kelainan pada pria infertil cenderung mengelompokkan semua jenis infertilitas bersama. Namun, ada kemungkinan bahwa beberapa himpunan bagian infertilitas memiliki peningkatan risiko kelainan kromosom sperma sedangkan yang lain tidak. Berbagai jenis infertilitas pada pria telah dipelajari seperti asthenozoospermia (cacat motilitas), teratozoospermia (kelainan bentuk), berbagai derajat oligozoospermia (konsentrasi rendah), dan azoospermia (tidak ada spermatozoa dalam ejakulasi). Jadi, sepertinya setiap gangguan spermatogenesis memberikan peningkatan risiko sperma aneuploid.

Seperti yang diamati pada wanita, tampaknya ada beberapa pria yang cenderung untuk non-disjunction dan memiliki frekuensi yang lebih tinggi secara signifikan dari sperma aneuploid. Ini telah dilaporkan pada pria dengan kromosom normal maupun pria infertil. Sejumlah penelitian telah menganalisis populasi anak aneuploid yang diturunkan dari pihak ayah dan kemudian mempelajari ayah untuk menentukan apakah aneuploidi sperma secara signifikan tinggi. Peneliti menentukan bahwa dua kasus trisomi 21 yang diturunkan dari ayah memiliki ayah dengan disomi 21 yang meningkat secara signifikan dalam sperma. Dalam studi serupa, bagaimanapun, tidak ditemukan peningkatan frekuensi spermatozoa disomi 21 secara signifikan dalam kasus-kasus Sindrom Down yang berasal dari ayah. Peneliti menemukan bahwa peningkatan frekuensi yang signifikan dari aneuploidi kromosom seks dalam spermatozoa dari ayah pasien sindrom Turner yang diturunkan dari pihak ayah, dan menemukan frekuensi seks yang sangat tinggi nullisomi kromosom (19,6%) dan disomi XY (18,6%) pada ayah infertil dari 45,X abortus, terbukti disebabkan oleh kekurangan kromosom X ayah.

Rekombinasi & Aneuploid

Baik pada pria subur dan tidak subur, telah diamati bahwa kromosom kelompok G (21 dan 22) dan kromosom seks sangat rentan terhadap non disjungsi. Alasannya mungkin karena kromosom ini biasanya hanya memiliki satu crossover yaitu kromosom 21 dan 22 karena merupakan kromosom terkecil; dan kromosom X dan Y karena daerah pasangannya terbatas pada daerah pseudoautosomal. Jika rekombinasi gagal dan chiasma tunggal ini tidak ada, maka di sana tidak akan ada mekanisme untuk memastikan pemisahan yang tepat dari kromosom homolog ke kutub yang berlawanan. Sejak menemukan bahwa pria tidak subur memiliki frekuensi spermatozoa aneuploid yang meningkat dan menghubungkan penurunan rekombinasi ke peningkatan frekuensi aneuploidi, diputuskan untuk mempelajari rekombinasi selama profase I meiosis untuk menentukan apakah cacat dalam rekombinasi berhubungan dengan infertilitas. Studi pria dengan azoospermia non-obstruktif (NOA) menunjukkan berbagai macam kesalahan meiosis.

Martin, R. H. (2008). Meiotic errors in human oogenesis and spermatogenesis. Reproductive Biomedicine Online, 16(4), 523-531.

Referensi