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.

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.

Loss of Methylation at H19 DMD Is Associated with Biallelic Expression and Reduced Development in Cattle Derived by Somatic Cell Nuclear Transfer

Although cloning of mammals has been achieved successfully, the percentage of live offspring is very low because of reduced fetal size and fewer implantation sites. Recent studies have attributed such pathological conditions to abnormal reprogramming of the donor cell used for cloning. The inability of the oocyte to fully restore the differentiated status of a somatic cell to its pluripotent and undifferentiated state is normally evidenced by aberrant DNA methylation patterns established throughout the genome during development to blastocyst. These aberrant methylation patterns are associated with abnormal expression of imprinted genes, which among other genes are essential for normal embryo development and gestation. We hypothesized that embryo loss and low implantation rates in cattle derived by somatic cell nuclear transfer (SCNT) are caused by abnormal epigenetic reprogramming of imprinted genes. To verify our hypothesis, we analyzed the parental expression and the differentially methylated domain (DMD) methylation status of the H19 gene. Using a parental-specific analysis, we confirmed for the first time that H19 biallelic expression is tightly associated with a severe demethylation of the paternal H19 DMD in SCNT embryos, suggesting that these epigenetic anomalies to the H19 locus could be directly responsible for the reduced size and low implantation rates of cloned embryos in cattle.

Viable Calves Produced by Somatic Cell Nuclear Transfer Using Meiotic-Blocked Oocytes

Somatic cell nuclear transfer (SCNT) has had an enormous impact on our understanding of biology and remains a unique tool for multiplying valuable laboratory and domestic animals. However, the complexity of the procedure and its poor efficiency are factors that limit a wider application of SCNT. In this context, oocyte meiotic arrest is an important option to make SCNT more flexible and increase the number of cloned embryos produced. Herein, we show that the use of butyrolactone I in association with brain-derived neurotrophic factor (BDNF) to arrest the meiotic division for 24 h prior to in vitro maturation provides bovine (Bos indicus) oocytes capable of supporting development of blastocysts and full-term cloned calves at least as efficiently as nonarrested oocytes. Furthermore, the procedure resulted in cloned blastocysts with an 1.5- and twofold increase of POU5F1 and IFNT2 expression, respectively, which are well-known markers of embryonic viability. Mitochondrial DNA (mtDNA) copy number was diminished by prematuration in immature oocytes (718,585 +/- 34,775 vs. 595,579 +/- 31,922, respectively, control and treated groups) but was unchanged in mature oocytes (522,179 +/- 45,617 vs. 498,771 +/- 33,231) and blastocysts (816,627 +/- 40,235 vs. 765,332 +/- 51,104). To our knowledge, this is the first report of cloned offspring born to prematured oocytes, indicating that meiotic arrest could have significant implications for laboratories working with SCNT and in vitro embryo production.

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.

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)

Somatic cell nuclear transfer is associated with altered expression of angiogenic factor systems in bovine placentomes at term

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

Use of strontium in the activation of bovine oocytes reconstructed by somatic cell nuclear transfer

As an important step in the nuclear transfer (NT) procedure, we evaluated the effect of three different treatments for oocyte activation on the in vitro and in vivo developmental capacity of bovine reconstructed embryos: (1) strontium, which has been successfully used in mice but not yet tested in cattle; (2) ionomycin and 6-dimethylammopurine (6-DMAP), a standard treatment used in cattle; (3) ionomycin and strontium, in place of 6-DMAP. As regards NT blastocyst development, no difference was observed when strontium (20.1%) or ionomycin/6-DMAP (14.4%) were used. However, when 6-DMAP was substituted by strontium (3), the blastocyst rate (34.8%) was superior to that in the other activation groups (p < 0.05). Results of in vivo development showed the possibility of pregnancies when NT embryos activated in strontium were transferred to recipient cows (16.6%). A live female calf was obtained when ionomycin/strontium were used, but it died 30 days after birth. Our findings show that strontium can be used as an activation agent in bovine cloning procedures and that activation with a combination of strontium and ionomycin increased the in vitro developmental capacity of reconstructed embryos. This is the first report of a calf produced by adult somatic cell NT in Latin America.

Complete replacement of the mitochondrial genotype in a Bos indicus calf reconstructed by nuclear transfer to a bos taurus oocyte

Due to the exclusively maternal inheritance of mitochondria, mitochondrial genotypes can be coupled to a particular nuclear genotype by continuous mating of founder females and their female offspring to males of the desired nuclear genotype. However, backcrossing is a gradual procedure that, apart from being lengthy, cannot ascertain that genetic and epigenetic changes will modify the original nuclear genotype. Animal cloning by nuclear transfer using host ooplasm carrying polymorphic mitochondrial genomes allows, among other biotechnology applications, the coupling of nuclear and mitochondrial genotypes of diverse origin within a single generation. Previous attempts to use Bos taurus oocytes as hosts to transfer nuclei from unrelated species led to the development to the blastocyst stage but none supported gestation to term. Our aim in this study was to determine whether B. taurus oocytes support development of nuclei from the closely related B. indicus cattle and to examine the fate of their mitochondrial genotypes throughout development. We show that indicus:taurus reconstructed oocytes develop to the blastocyst stage and produce live offspring after transfer to surrogate cows. We also demonstrate that, in reconstructed embryos, donor cell-derived mitochondria undergo a stringent genetic drift during early development leading, in most cases, to a reduction or complete elimination of B. indicus mtDNA. These results demonstrate that cross-subspecies animal cloning is a viable approach both for matching diverse nuclear and cytoplasmic genes to create novel breeds of cattle and for rescuing closely related endangered cattle.

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.

The Cell Agglutination Agent, Phytohemagglutinin-L, Improves the Efficiency of Somatic Nuclear Transfer Cloning in Cattle (Bos taurus)

One of the several factors that contribute to the low efficiency of mammalian somatic cloning is poor fusion between the small somatic donor cell and the large recipient oocyte. This study was designed to test phytohemagglutinin (PHA) agglutination activity on fusion rate, and subsequent developmental potential of cloned bovine embryos. The toxicity of PHA was established by examining its effects on the development of parthenogenetic bovine oocytes treated with different doses (Experiment 1), and for different durations (Experiment 2). The effective dose and duration of PHA treatment (150 microg/mL, 20 min incubation) was selected and used to compare membrane fusion efficiency and embryo development following somatic cell nuclear transfer (Experiment 3). Cloning with somatic donor fibroblasts versus cumulus cells was also compared, both with and without PHA treatment (150 microg/mL, 20 min). Fusion rate of nuclear donor fibroblasts, after phytohemagglutinin treatment, was increased from 33 to 61% (P < 0.05), and from 59 to 88% (P < 0.05) with cumulus cell nuclear donors. The nuclear transfer (NT) efficiency per oocyte used was improved following PHA treatment, for both fibroblast (13% versus 22%) as well as cumulus cells (17% versus 34%; P < 0.05). The cloned embryos, both with and without PHA treatment, were subjected to vitrification and embryo transfer testing, and resulted in similar survival (approximately 90% hatching) and pregnancy rates (17-25%). Three calves were born following vitrification and embryo transfer of these embryos; two from the PHA-treated group, and one from non-PHA control group. We concluded that PHA treatment significantly improved the fusion efficiency of somatic NT in cattle, and therefore, increased the development of cloned blastocysts. Furthermore, within a determined range of dose and duration, PHA had no detrimental effect on embryo survival post-vitrification, nor on pregnancy or calving rates following embryo transfer.