Morphological and functional characterization of placenta during gestation in bovine clones derived by somatic nuclear transfer

La technique de clonage par transfert nucléaire de cellules somatiques (SCNT) présente une page importante dans les annales scientifiques, mais son application pratique demeure incertaine dû à son faible taux de succès. Les anomalies placentaires et de développement fœtal se traduisent par des pertes importantes de gestation et des mortalités néonatales. Dans un premier temps, la présente étude a caractérisé les changements morphologiques des membranes fœtales durant la gestation clonée en les comparant à des gestations contrôles obtenues à partir de l’insémination artificielle. Les différentes anomalies morphologiques des placentomes telles que l’œdème chorioallantoique, la présence de zones hyperéchoiques et irrégulières dans la membrane amniotique et la présence de cellules inflammatoires dégénérées compromettent le développement fœtal normal de la gestation clonée. L’examen ultrasonographique représente une technique diagnostique importante pour faire le suivi d’une gestation et de caractériser les changements placentaires dans le cadre d’évaluation globale du bien-être fœtal. Le profil hormonal de trois stéroïdes (progestérone (P4), estrone sulfate (E1S), et œstradiol (E2)) et de la protéine B spécifique de gestation (PSPB) dans le sérum des vaches porteuses de clones SCNT a été déterminé et associé aux anomalies de gestations clonées. Une diminution de la P4 sérique au jour 80, une élévation du niveau de la concentration de la PSPB au jour 150, et une augmentation de la concentration d’E2 sérique durant le deuxième et troisième tiers de la gestation clonée coïncident avec les anomalies de gestation déjà reportées. Ces changements du profil hormonal associés aux anomalies phénotypiques du placenta compromettent le déroulement normal de la gestation clonée et gênent le développement et le bien-être fœtal. Sur la base des observations faites sur le placenta de gestation clonée, le mécanisme moléculaire pouvant expliquer la disparition de l’épithélium du placenta (l’interface entre le tissue maternel et le placenta) a été étudié. L’étude a identifié des changements dans l’expression de deux protéines d’adhérence (E-cadhérin et β-catenin) de cellules épithéliales pouvant être associées aux anomalies du placenta chez les gestations clonées. Le tissu de cotylédons provenant de gestations clonées et contrôles a été analysé par Western blot, RT-PCR quantitatif, et par immunohistochimie. Les résultats présentaient une diminution significative (p<0.05) de l’expression des dites protéines dans les cellules trophoblastiques chez les gestations clonées. Le RT-PCR quantitatif démontrait que les gènes CCND1, CLDN1 et MSX1 ciblés par la voie de signalisation de la Wnt/β-catenin étaient significativement sous exprimés. La diminution de l’expression des protéines E-cadherin et β-catenin avec une réduction de l’activation de la protéine β-catenin durant le période d’attachement de l’embryon peut potentiellement expliquer l’absence totale ou partielle de l’attachement des membranes fœtales au tissu maternel et éventuellement, l’insuffisance placentaire caractéristique des gestations clonées chez la vache. La caractérisation morphologique et fonctionnelle du placenta durant les gestations clonées à haut risque est essentielle pour évaluer le statut de la gestation. Les résultats de la présente étude permettront de prédire le développement et le bien-être fœtal de façon critique à travers un protocole standardisé et permettre des interventions médicales pour améliorer le taux de succès des gestations clonées chez les bovins.

Aberrant expression of E-cadherin and beta-catenin proteins in placenta of bovine embryos derived from somatic cell nuclear transfer

Abnormal placental development is common in the bovine somatic cell nuclear transfer (SCNT)-derived fetus. In the present study, we characterised the expression of E-cadherin and beta-catenin, structural proteins of adherens junctions, in SCNT gestations as a model for impaired placentation. Cotyledonary tissues were separated from pregnant uteri of SCNT (n - 6) and control pregnancies (n - 8) obtained by artificial insemination. Samples were analysed by western blot, quantitative RT-PCR (qRT-PCR) and immunohistochemistry. Bovine trophectoderm cell lines derived from SCNT and control embryos were analysed to compare with the in utero condition. Although no differences in E-cadherin or beta-catenin mRNA abundance were observed in fetal tissues between the two groups, proteins encoded by these genes were markedly under-expressed in SCNT trophoblast cells. Immunohistochemistry revealed a different pattern of E-cadherin and total beta-catenin localisation in SCNT placentas compared with controls. No difference was observed in subcellular localisation of dephosphorylated active-beta-catenin protein in SCNT tissues compared with controls. However, qRT-PCR confirmed that the wingless (WNT)/beta-catenin signalling pathway target genes CCND1, CLDN1 and MSX1 were downregulated in SCNT placentas. No differences were detected between two groups of bovine trophectoderm cell lines. Our results suggest that impaired expression of E-cadherin and beta-catenin proteins, along with defective beta-catenin signalling during embryo attachment, specifically during placentation, is a molecular mechanism explaining insufficient placentation in the bovine SCNT-derived fetus.

Heteroplasmy in mammal mitochondrial deoxyribonucleic acid

La nature a développé diverses stratégies afin d’assurer le commencement de la vie dans des conditions d’homoplasmie, c’est-à-dire des conditions telles que les cellules sont dotées du même ADN mitochondrial. Toutefois, des nouveaux haplotypes de l’acide désoxyribonucléique mitochondrial (ADNmt) peuvent apparaitre et croître de plusieurs façons tout au long de la durée d’une vie menant à l’hétéroplasmie. Par exemple, l’hétéroplasmie de l’ADNmt peut être créée artificiellement par des technologies reproductives assistées, ainsi que naturellement par le processus de vieillissement. De ce fait, la thèse de ce doctorat fut divisée en deux principaux objectifs. Le premier étant celui d’analyser les changements survenus dans l’hétéroplasmie de l’ADNmt produit par le transfert nucléaire des cellules somatiques (SCNT) lors du développement de l’embryon jusqu’au fœtus et aux tissus adultes de bovins clonés. En ce qui concerne le second objectif, il s’agit d’analyser les changements survenus dans l’hétéroplasmie de l’ADNmt causés par le vieillissement dans une cellule somatique adulte et dans des tissus germinaux durant l’ovogénèse, ainsi qu’au début de l’embryogenèse et dans la procédure de culture in vitro sur des souris. Dans la première série d’expériences sur des bovins, des fibroblastes fœtaux transportant une mutation d’ADNmt (insertion de 66 pb) furent fusionnés avec des ovocytes receveurs transportant l’ADNmt du type sauvage. La présence d’ADNmt venant de la cellule donneuse a été analysée à différents stades de développement, soit sur des embryons âgés de 17 jours (n=17), des fœtus âgés de 40 jours (n=3), des fœtus âgés de 60 jours (n=3), un fœtus âgé de 240 jours et 3 clones post-nataux âgés de 18 à 24 mois. Chaque individu s’est avéré être hétéroplasmique et 99 % (103/104) des échantillons de tissus analysés étaient également hétéroplasmiques. Cependant, l’ovaire venant du fœtus de 240 jours fut le seul à être homoplasmique pour l’ADNmt de l’ovocyte receveur. Dans la plupart des échantillons analysés (95,2 %, soit 99/104) la moyenne d’hétéroplasmie était de 1,46 %. Par contre, un fœtus âgé de 40 jours a présenté un niveau élevé d’hétéroplasmie (20,9 %), indiquant ainsi que des évènements rares d’augmentation de l’ADNmt des cellules donneuses peuvent survenir. Étant donné que la majorité des clones SCNT montrait de l’hétéroplasmie de l’ADNmt à des proportions comparables à celles des cellules donneuses au moment de la reconstruction de l’embryon, on a pu conclure que l’hétéroplasmie produite par des techniques de transfert nucléaire utilisant des cellules somatiques est due à une ségrégation neutre de l’ADNmt. Dans la seconde série d’expériences sur des souris, des femelles de différents âges, c.à.d. jeunes (0 – 8 mois), moyennes (8 – 16 mois) et vieilles (16 – 24 mois), ont été synchronisées (gonadotrophines) et sacrifiées dans le but d’obtenir des ovocytes au stade de vésicule germinal, et des ovocytes au stade métaphase-II produits in vivo et in vitro. De plus, des embryons in vivo et in vitro au stade de deux-cellules et des embryons au stade de blastocystes ont été obtenus de femelles jeunes. Différents tissus somatiques, venant de femelles des trois stades d’âge ont été obtenus : cerveau, foie, muscle et du cumulus ovocytaire. De plus, l’effet du vieillissement a été mesuré selon la fertilité de la femelle. En effet, les effets sur l’hétéroplasmie du vieillissement, du stade de développement et de la culture in vitro ont été mesurés dans des ovocytes et dans des embryons. Les effets du vieillissement sur les mitochondries ont été mesurés par rapport au nombre total de copies de l’ADNmt, au pourcentage des délétions communes et sur l’expression de trois gènes : Ndufs4, Mt-nd2 and Mt-nd4. Il a été possible d’observer que la fertilité des femelles dans la colonie de souris diminuait avec l’âge. En fait, le vieillissement affectait l’ADNmt dans les tissus somatiques, cependant il n’avait pas d’effet sur le cumulus, les ovocytes et les embryons. Le nombre de délétions de l’ADNmt augmentait pendant la reprise de la méiose et celui-ci diminuait au début du développement embryonnaire. La culture in vitro n’affectait pas la quantité d’ADNmt dans la plupart des tissus germinaux. Puisque nous n’avons pas trouvé d’effet de l’âge dans la majorité des paramètres mitochondriaux analysés dans les ovocytes et les embryons, il est suggéré que la délétion commune de l’ADNmt dans les tissus germinaux est davantage reliée au statut cellulaire de la production d’énergie qu’au processus de vieillissement. Deux sources différentes de mutations de l’ADNmt produites dans les ovocytes normaux ou reconstitués ont produit différents résultats d’hétéroplasmie au début de l’embryogénèse. Chez les bovins, l’hétéroplasmie artificielle impliquant une petite insertion (66 pb) dans la région non codante (D-loop) de l’ADNmt a été vraisemblablement non nocive pour l’embryon, tolérant la persistance de l’ADNmt étranger pendant les différents stades du développement des clones. Chez les souris, l’hétéroplasmie naturelle produite par une grande délétion (4974 pb délétion commune) dans la région codante de l’ADNmt a été vraisemblablement nocive pour l’embryon et par conséquent éliminée pour assurer l’homoplasmie au début du développement embryonnaire.

Expression of steroidogenic proteins and genes in bovine placenta from conventional and somatic cell nuclear transfer (SCNT) gestations

Pendant la grossesse, les hormones stéroïdes jouent un rôle indispensable dans la régulation des principales manifestations physiologiques telles que la reconnaissance maternelle de la gestation, la réceptivité de l'endomètre, le début du développement embryonnaire ainsi que le maintien de la gestation. Cependant, on sait très peu sur la production de ces hormones et les principaux facteurs des voies intracellulaires impliqués dans le processus de stéroïdogenèse dans le placenta bovin pendant les stades initiaux et plus avancés de la gestation. Par ailleurs, certaines anomalies du placenta chez les bovins suite à une mauvaise production de stéroïdes n'ont pas encore été démontrées. Les objectifs de cette thèse étaient donc de : 1) déterminer la présence et la localisation des principales protéines stéroïdiennes dans le placenta de bovins provenant de gestations de 50 à 120 jours, 2) comparer l'expression placentaire d'une série de gènes et de protéines stéroïdiennes entre une gestation impliquant un transfert de noyaux de cellules somatiques (SCNT) et une gestation non-clonale; 3) étudier l'impact des hormones trophiques et des seconds messagers sur la stéroïdogenèse dans le placenta bovin à 140 +10 jours de gestation. L’utilisation de techniques d’immunohistochimie, d’immunobuvardage et de PCR quantitatif nous a permis d’évaluer la présence d'un large éventail de gènes stéroïdiens (STAR, CYP11A1, HSD3B1, CYP17A1 et SCARB1) qui participent au transport du cholestérol et dans la production de différents types de stéroïdes. Dans cette thèse, nous avons démontré la capacité du placenta bovin d’initier la stéroïdogenèse au début de la gestation et nous avons également déterminé les principales cellules impliquées dans ce processus. Nous avons constaté que les tissus maternels expriment les principaux marqueurs de stéroïdogenèse suggérant une plus grande capacité stéroïdogénique que les tissus fœtaux. En outre, un modèle d'expression des protéines complémentaires stéroïdogéniques entre la caroncule et le cotylédon a été observé, indiquant que la stéroïdogenèse placentaire exige une communication cellule à cellule entre les cellules de la mère et du fœtus. Après avoir démontré les principales cellules impliquées dans la synthèse des hormones stéroïdiennes dans le placenta bovin en début de gestation, nous avons ensuite étudié les modifications possibles de la stéroïdogenèse dans les tissus SCNT cotylédonaires à 40 jours de gestation. Nous avons identifié d'importantes modifications dans l'expression des gènes STAR, CYP11A1, HSD3B1, CYP17A1, et SULT1E1. Conséquemment, nous postulons que l'expression réduite des gènes stéroïdiens peut provoquer une insuffisance de la biosynthèse des hormones stéroïdiennes, ce qui pourrait contribuer à un développement anormal du placenta et du fœtus dans les gestations SCNT à court ou long terme. Finalement, nous avons développé un modèle efficace de culture d’explants de placentome qui nous a permis d'explorer les mécanismes sous-jacents spécifiques à la stéroïdogenèse placentaire. Nous avons exploré l'effet stimulant des hormones trophiques et différents messagers secondaires sur l'expression de différentes protéines stéroïdogéniques ainsi que le taux de progestérone (P4) dans les explants de placentome. En utilisant les techniques de RIA et de PCR quantitatif, nous avons constaté que même si les analogues de l'hormone lutéinisante (hCG) ont un effet stimulant sur plusieurs gènes stéroïdiens, le calcium ionophore est le principal modulateur dans la synthèse de la P4. Ces résultats suggèrent que dans le placenta bovin, la synthèse de la P4 est modulée principalement par l'afflux de calcium intracellulaire, et apparemment les nucléotides cycliques ne semblent pas contrôler ce processus. En conclusion, cette étude contribue de manière significative à une meilleure compréhension des mécanismes d'entraînement de la synthèse des stéroïdes placentaires au début de la gestation et permet aussi d’apporter de nouveaux éclairages sur l'importance des stéroïdes placentaires dans la régulation du développement du placenta et du fœtus.

Chemically Assisted Enucleation Results in Higher G6PD Expression in Early Bovine Female Embryos Obtained by Somatic Cell Nuclear Transfer

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Imprinted gene expression in in vivo- And in vi/ro-produced bovine embryos and chorio-allantoic membranes

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Nuclear Transfer with Apoptotic Bovine Fibroblasts: Can Programmed Cell Death Be Reprogrammed?

Cell death by apoptosis is considered to be irreversible. However, reports have indicated that its reversibility is possible if the cells have not yet reached the "point of no return.'' In order to add new information about this topic, we used cells at different moments of apoptotic process as nuclear donors in somatic cell nuclear transfer (SCNT) in order to test if programmed cell death can be reversed. Adult bovine fibroblasts were treated with 10 mu M of staurosporine (STP) for 3 h and analyzed for phosphatidylserine externalization (Annexin assay) and presence of active caspase-9. Annexin-positive (Anx +) and Caspase-9-positive (Casp-9 +) cells were isolated by FACS and immediately transferred into enucleated in vitro matured bovine oocytes. After STP treatment, 89.9% of cells were Anx + (4.6% in control cells; p < 0.01) and 24.9% were Casp-9 + (2.4% in control cells; p < 0.01). Fusion and cleavage were not affected by the use apoptotic cells (p > 0.05). Also, the use of Anx + cells did not affect blastocyst production compared to control (26.4% vs. 22.9%, respectively; p > 0.05). However, blastocyst formation was affected by the use of Casp-9 + cells (12.3%; p < 0.05). These findings contribute to the idea of that apoptosis is reversible only at early stages. Additionally, we hypothesize that the "point of no return'' for apoptosis may be located around activation of Caspase-9.

A cluster-randomised intervention trial against Schistosoma japonicum in the Peoples' Republic of China: bovine and human transmission

Background Zoonotic schistosomiasis japonica is a major public health problem in China. Bovines, particularly water buffaloes, are thought to play a major role in the transmission of schistosomiasis to humans in China. Preliminary results (1998–2003) of a praziquantel (PZQ)-based pilot intervention study we undertook provided proof of principle that water buffaloes are major reservoir hosts for S. japonicum in the Poyang Lake region, Jiangxi Province. Methods and Findings Here we present the results of a cluster-randomised intervention trial (2004–2007) undertaken in Hunan and Jiangxi Provinces, with increased power and more general applicability to the lake and marshlands regions of southern China. The trial involved four matched pairs of villages with one village within each pair randomly selected as a control (human PZQ treatment only), leaving the other as the intervention (human and bovine PZQ treatment). A sentinel cohort of people to be monitored for new infections for the duration of the study was selected from each village. Results showed that combined human and bovine chemotherapy with PZQ had a greater effect on human incidence than human PZQ treatment alone. Conclusions The results from this study, supported by previous experimental evidence, confirms that bovines are the major reservoir host of human schistosomiasis in the lake and marshland regions of southern China, and reinforce the rationale for the development and deployment of a transmission blocking anti-S. japonicum vaccine targeting bovines.

Spectrometric and voltammetric studies of the interaction between quercetin and bovine serum albumin using warfarin as site marker with the aid of chemometrics

The interaction of quercetin, which is a bioflavonoid, with bovine serum albumin (BSA) was investigated under pseudo-physiological conditions by the application of UV–vis spectrometry, spectrofluorimetry and cyclic voltammetry (CV). These studies indicated a cooperative interaction between the quercetin–BSA complex and warfarin, which produced a ternary complex, quercetin–BSA–warfarin. It was found that both quercetin and warfarin were located in site I. However, the spectra of these three components overlapped and the chemometrics method – multivariate curve resolution-alternating least squares (MCR-ALS) was applied to resolve the spectra. The resolved spectra of quercetin–BSA and warfarin agreed well with their measured spectra, and importantly, the spectrum of the quercetin–BSA–warfarin complex was extracted. These results allowed the rationalization of the behaviour of the overlapping spectra. At lower concentrations ([warfarin] < 1 × 10−5 mol L−1), most of the site marker reacted with the quercetin–BSA, but free warfarin was present at higher concentrations. Interestingly, the ratio between quercetin–BSA and warfarin was found to be 1:2, suggesting a quercetin–BSA–(warfarin)2 complex, and the estimated equilibrium constant was 1.4 × 1011 M−2. The results suggest that at low concentrations, warfarin binds at the high-affinity sites (HAS), while low-affinity binding sites (LAS) are occupied at higher concentrations.

Fluorescence spectrometric study on the interactions of isoprocarb and sodium 2-isopropylphenate with bovine serum albumin

The binding interaction of the pesticide Isoprocarb and its degradation product, sodium 2-isopropylphenate, with bovine serum albumin (BSA) was studied by spectrofluorimetry under simulated physiological conditions. Both Isoprocarb and sodium 2-isopropylphenate quenched the intrinsic fluorescence of BSA. This quenching proceeded via a static mechanism. The thermodynamic parameters (ΔH°, ΔS° and ΔG°) obtained from the fluorescence data measured at two different temperatures showed that the binding of Isoprocarb to BSA involved hydrogen bonds and that of sodium 2-isopropylphenate to BSA involved hydrophobic and electrostatic interactions. Synchronous fluorescence spectroscopy of the interaction of BSA with either Isoprocarb or sodium 2-isopropylphenate showed that the molecular structure of the BSA was changed significantly, which is consistent with the known toxicity of the pesticide, i.e., the protein is denatured. The sodium 2-isopropylphenate, was estimated to be about 4–5 times more toxic than its parent, Isoprocarb. Synchronous fluorescence spectroscopy and the resolution of the three-way excitation–emission fluorescence spectra by the PARAFAC method extracted the relative concentration profiles of BSA, Isoprocab and sodium 2-isopropylphenate as a function of the added sodium 2-isopropylphenate. These profiles showed that the degradation product, sodium 2-isopropylphenate, displaced the pesticide in a competitive reaction with the BSA protein.

Human and bovine adenoviruses for the detection of source-specific fecal pollution in coastal waters in Australia

In this study, the host-specificity and -sensitivity of human- and bovine-specific adenoviruses (HS-AVs and BS-AVs) were evaluated by testing wastewater/fecal samples from various animal species in Southeast, Queensland, Australia. The overall specificity and sensitivity of the HS-AVs marker were 1.0 and 0.78, respectively. These figures for the BS-AVs were 1.0 and 0.73, respectively. Twenty environmental water samples were colleted during wet conditions and 20 samples were colleted during dry conditions from the Maroochy Coastal River and tested for the presence of fecal indicator bacteria (FIB), host-specific viral markers, zoonotic bacterial and protozoan pathogens using PCR/qPCR. The concentrations of FIB in water samples collected after wet conditions were generally higher compared to dry conditions. HS-AVs was detected in 20% water samples colleted during wet conditions and whereas BS-AVs was detected in both wet (i.e., 10%) and dry (i.e., 10%) conditions. Both, C. jejuni mapA and Salmonella invA genes were detected in 10% and 10% of samples, respectively collected during dry conditions. The concentrations of Salmonella invA ranged between 3.5 × 102 to 4.3 × 102 genomic copies per 500 ml of water G. lamblia β-giardin gene was detected only in one sample (5%) collected during the dry conditions. Weak or significant correlations were observed between FIB with viral markers and zoonotic pathogens. However, during dry conditions, no significant correlations were observed between FIB concentrations with viral markers and zoonotic pathogens. The prevalence of HS-AVs in samples collected from the study river suggests that the quality of water is affected by human fecal pollution and as well as bovine fecal pollution. The results suggest that HS-AVs and BS-AVs detection using PCR could be a useful tool for the identification of human sourced fecal pollution in coastal waters.

Pet food from bovine origin drying by green heat pump technology and fluidization

Bovine intestine was dried in a heat pump fluid bed combination. Minimum fluidisation velocity was calculated by Ergun Equation and some relations were established.