Parental diet, pregnancy outcomes and offspring health:metabolic determinants in developing oocytes and embryos

The periconceptional period, embracing the terminal stages of oocyte growth and post-fertilisation development up to implantation, is sensitive to parental nutrition. Deficiencies or excesses in a range of macro- and micronutrients during this period can lead to impairments in fertility, fetal development and long-term offspring health. Obesity and genotype-related differences in regional adiposity are associated with impaired liver function and insulin resistance, and contribute to fatty acid-mediated impairments in sperm viability and oocyte and embryo quality, all of which are associated with endoplasmic reticulum stress and compromised fertility. Disturbances to maternal protein metabolism can elevate ammonium concentrations in reproductive tissues and disturb embryo and fetal development. Associated with this are disturbances to one-carbon metabolism, which can lead to epigenetic modifications to DNA and associated proteins in offspring that are both insulin resistant and hypertensive. Many enzymes involved in epigenetic gene regulation use metabolic cosubstrates (e.g. acetyl CoA and S-adenosyl methionine) to modify DNA and associated proteins, and so act as 'metabolic sensors' providing a link between parental nutritional status and gene regulation. Separate to their genomic contribution, spermatozoa can also influence embryo development via direct interactions with the egg and by seminal plasma components that act on oviductal and uterine tissues. © IETS 2014.

Adaptive responses by mouse early embryos to maternal diet protect fetal growth but predispose to adult onset disease

Poor maternal nutrition during pregnancy can alter postnatal phenotype and increase susceptibility to adult cardiovascular and metabolic diseases. However, underlying mechanisms are largely unknown. Here, we show that maternal low protein diet (LPD), fed exclusively during mouse preimplantation development, leads to offspring with increased weight from birth, sustained hypertension, and abnormal anxiety-related behavior, especially in females. These adverse outcomes were interrelated with increased perinatal weight being predictive of later adult overweight and hypertension. Embryo transfer experiments revealed that the increase in perinatal weight was induced within blastocysts responding to preimplantation LPD, independent of subsequent maternal environment during later pregnancy. We further identified the embryo-derived visceral yolk sac endoderm (VYSE) as one mediator of this response. VYSE contributes to fetal growth through endocytosis of maternal proteins, mainly via the multiligand megalin (LRP2) receptor and supply of liberated amino acids. Thus, LPD maintained throughout gestation stimulated VYSE nutrient transport capacity and megalin expression in late pregnancy, with enhanced megalin expression evident even when LPD was limited to the preimplantation period. Our results demonstrate that in a nutrient-restricted environment, the preimplantation embryo activates physiological mechanisms of developmental plasticity to stablize conceptus growth and enhance postnatal fitness. However, activation of such responses may also lead to adult excess growth and cardiovascular and behavioral diseases. © 2008 by the Society for the Study of Reproduction, Inc.

Do little embryos make big decisions? How maternal dietary protein restriction can permanently change an embryo's potential, affecting adult health

Periconceptional environment may influence embryo development, ultimately affecting adult health. Here, we review the rodent model of maternal low-protein diet specifically during the preimplantation period (Emb-LPD) with normal nutrition during subsequent gestation and postnatally. This model, studied mainly in the mouse, leads to cardiovascular, metabolic and behavioural disease in adult offspring, with females more susceptible. We evaluate the sequence of events from diet administration that may lead to adult disease. Emb-LPD changes maternal serum and/or uterine fluid metabolite composition, notably with reduced insulin and branched-chain amino acids. This is sensed by blastocysts through reduced mammalian target of rapamycin complex 1 signalling. Embryos respond by permanently changing the pattern of development of their extra-embryonic lineages, trophectoderm and primitive endoderm, to enhance maternal nutrient retrieval during subsequent gestation. These compensatory changes include stimulation in proliferation, endocytosis and cellular motility, and epigenetic mechanisms underlying them are being identified. Collectively, these responses act to protect fetal growth and likely contribute to offspring competitive fitness. However, the resulting growth adversely affects long-term health because perinatal weight positively correlates with adult disease risk. We argue that periconception environmental responses reflect developmental plasticity and 'decisions' made by embryos to optimise their own development, but with lasting consequences.

Epigenetic reprogramming of imprinted genes in embryonic stem cells, fertilized and cloned embryos

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Role of Ptf1a in the development of endocrine and exocrine pancreas of Xenopus laevis embryos

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Developmental toxicity from exposure to various forms of mercury compounds in medaka fish (Oryzias latipes) embryos.

This study examined developmental toxicity of different mercury compounds, including some used in traditional medicines. Medaka (Oryzias latipes) embryos were exposed to 0.001-10 µM concentrations of MeHg, HgCl2, α-HgS (Zhu Sha), and β-HgS (Zuotai) from stage 10 (6-7 hpf) to 10 days post fertilization (dpf). Of the forms of mercury in this study, the organic form (MeHg) proved the most toxic followed by inorganic mercury (HgCl2), both producing embryo developmental toxicity. Altered phenotypes included pericardial edema with elongated or tube heart, reduction of eye pigmentation, and failure of swim bladder inflation. Both α-HgS and β-HgS were less toxic than MeHg and HgCl2. Total RNA was extracted from survivors three days after exposure to MeHg (0.1 µM), HgCl2 (1 µM), α-HgS (10 µM), or β-HgS (10 µM) to examine toxicity-related gene expression. MeHg and HgCl2 markedly induced metallothionein (MT) and heme oxygenase-1 (Ho-1), while α-HgS and β-HgS failed to induce either gene. Chemical forms of mercury compounds proved to be a major determinant in their developmental toxicity.

Epigenetic reprogramming of imprinted genes in embryonic stem cells, fertilized and cloned embryos

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Role of Ptf1a in the development of endocrine and exocrine pancreas of Xenopus laevis embryos

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Role and modulation of maternal transcripts during the first cleavage divisions in bovine embryos

Ce travail porte sur l’identification, la fonction et la régulation des molécules maternelles d’ARNm qui dirigent la compétence développementale juste après la fécondation chez les bovins. Tout d’abord, en utilisant le modèle du temps écoulé jusqu’au premier clivage zygotique et à travers l’évaluation du transcriptome des embryons à 2-cellules, il fut possible de déterminer la signature moléculaire des niveaux extrêmes de compétence au développement et sélectionner des molécules candidates pour des études postérieures. Les résultats ont montré que les embryons de capacité développementale variable diffèrent dans certaines fonctions comme la réparation de l’ADN, le traitement de l’ARN, la synthèse de protéines et l’expression génique définies par des ARNm synthétisés par l’ovocyte. Pour obtenir une confirmation fonctionnelle, une paire de transcrits maternels (l’un détecté dans notre sondage précédent et l’autre étant une molécule reliée) ont été inhibés par « knock-down » dans des ovocytes. Les effets du knock-down de ces facteurs de transcription sont apparus avant la formation des blastocystes dû à une diminution de la capacité au clivage et celle à progresser après le stage de 8-cellules. L’analyse moléculaire des embryons knock-down survivants suggère qu’un de ces facteurs de transcription est un contrôleur crucial de l’activation du génome embryonnaire, qui représente une fenêtre développementale dans l’embryogenèse précoce. Dans la dernièr étude, nous avons testé si les facteurs de transcription d’intérêt sont modulés au niveau traductionnel. Des ARNm rapporteurs couplés à la GFP (Protéine fluorescente) contenant soit la version courte ou la version longue de la séquence 3’-UTR des deux molécules furent injectées dans des zygotes pour évaluer leur dynamique traductionnelle. Les résultats ont montré que les éléments cis-régulateurs localisés dans les 3’-UTRs contrôlent leur synchronisation traductionnelle et suggèrent une association entre la compétence développementale et la capacité de synthèse de ces protéines. Ceci conduit à l’idée que ces facteurs de transcription cruciaux sont aussi contrôlés au niveau traductionnel chez les embryons précoces. Les connaissances acquises ont joué un rôle essentiel pour définir le contrôle potentiel des molécules maternelles sur les embryons au début de leur développement. Cette étude nous montre aussi une utilisation potentielle de cette information ainsi que les nouveaux défis présents dans le secteur des technologies reproductives.

Development and application of sensitive genome-wide platforms to study the genetic and epigenetic (DNA methylation) makeup of gametes and early bovine embryos

Pour ce projet, nous avons développé une plateforme pour l’analyse pangénomique de la méthylation de l’ADN chez le bovin qui est compatible avec des échantillons de petites tailles. Cet outil est utilisé pour étudier les caractéristiques génétiques et épigénétiques (méthylation de l’ADN) des gamètes soumis aux procédures de procréation médicalement assisitée et des embryons précoces. Dans un premier temps, une plateforme d’analyse de biopuces spécifiques pour l’étude de la méthylation de l’ADN chez l’espèce bovine a été développée. Cette plateforme a ensuite été optimisée pour produire des analyses pangénomiques de méthylation de l’ADN fiables et reproductibles à partir d’échantillons de très petites tailles telle que les embryons précoces (≥ 10 ng d’ADN a été utilisé, ce qui correspond à 10 blastocystes en expansion). En outre, cet outil a permis d’évaluer de façon simultanée la méthylation de l’ADN et le transcriptome dans le même échantillon, fournissant ainsi une image complète des profils génétiques et épigénétiques (méthylation de l’ADN). Comme preuve de concept, les profils comparatifs de méthylation de l’ADN spermatique et de blastocystes bovins ont été analysés au niveau de l’ensemble du génome. Dans un deuxième temps, grâce à cette plateforme, les profils globaux de méthylation de l’ADN de taureaux jumeaux monozygotes (MZ) ont été analysés. Malgré qu’ils sont génétiquement identiques, les taureaux jumeaux MZ ont des descendants avec des performances différentes. Par conséquent, l’hypothèse que le profil de méthylation de l’ADN spermatique de taureaux jumeaux MZ est différent a été émise. Dans notre étude, des différences significatives entre les jumeaux MZ au niveau des caractéristiques de la semence ainsi que de la méthylation de l’ADN ont été trouvées, chacune pouvant contribuer à l’obtention de performances divergentes incongrues des filles engendrées par ces jumeaux MZ. Dans la troisième partie de ce projet, la même plateforme a été utilisée pour découvrir les impacts d’une supplémentation à forte concentration en donneur de méthyle universel sur les embryons précoces bovins. La supplémentation avec de grandes quantités d’acide folique (AF) a été largement utilisée et recommandée chez les femmes enceintes pour sa capacité bien établie à prévenir les malformations du tube neural chez les enfants. Cependant, plus récemment, plusieurs études ont rapporté des effets indésirables de l’AF utilisé à des concentrations élevées, non seulement sur le développement de l’embryon, mais aussi chez les adultes. Au niveau cellulaire, l’AF entre dans le métabolisme monocarboné, la seule voie de production de S-adénosyl méthionine (SAM), un donneur universel de groupements méthyles pour une grande variété de biomolécules, y compris l’ADN. Par conséquent, pour résoudre cette controverse, une forte dose de SAM a été utilisée pour traiter des embryons produits in vitro chez le bovin. Ceci a non seulement permis d’influencer le phénotype des embryons précoces, mais aussi d’avoir un impact sur le transcriptome et le méthylome de l’ADN. En somme, le projet en cours a permis le développement d’une plateforme d’analyse de la méthylation de l’ADN à l’échelle du génome entier chez le bovin à coût raisonnable et facile à utiliser qui est compatible avec les embryons précoces. De plus, puisque c’est l’une des premières études de ce genre en biologie de la reproduction bovine, ce projet avait trois objectifs qui a donné plusieurs nouveaux résultats, incluant les profils comparatifs de méthylation de l’ADN au niveau : i) blastocystes versus spermatozoïdes ; ii) semence de taureaux jumeaux MZ et iii) embryons précoces traités à de fortes doses de SAM versus des embryons précoces non traités.

Cryopreservation of avocado (Persea Americana Mill.) using somatic embryos

Avocado genetic resources are currently maintained in the form of field repositories at great cost and risk of natural disasters, pest and diseases. Cryopreservation offers a necessary, complimentary method that is safe, cost-effective and long-term. However, long-term maintenance and regeneration of plantlets from avocado somatic embryos has been a major barrier in the development of new avocado cultivars. In this study, two protocols for vitrification-based cryopreservation of avocado somatic embryos were investigated. Globular somatic embryos of two avocado cultivars were tested, revealing cultivar-dependent differences in desiccation tolerance and subsequent freezing resistance, possibly attributed to their size and culture age. A two-step regeneration system, involving an intermediate liquid phase step between subcultures in solid medium, significantly enhanced shoot development from somatic embryo tissue. This work will add considerable value towards cryopreservation of avocado somatic embryos for germplasm conservation and the generation of new and improved avocado cultivars.

Metabolite profiling of somatic embryos of Cyclamen persicum in comparison to zygotic embryos, endosperm, and testa

Somatic embryogenesis has been shown to be an efficient in vitro plant regeneration system for many crops such as the important ornamental plant Cyclamen persicum, for which this regeneration pathway of somatic embryogenesis is of interest for the vegetative propagation of parental lines as well as elite plants. However, somatic embryogenesis is not commercially used in many crops due to several unsolved problems, such as malformations, asynchronous development, deficiencies in maturation and germination of somatic embryos. In contrast, zygotic embryos in seeds develop and germinate without abnormalities in most cases. Instead of time-consuming and labor-intensive experiments involving tests of different in vitro culture conditions and plant growth regulator supplements, we follow a more directed approach. Zygotic embryos served as a reference and were compared to somatic embryos in metabolomic analyses allowing the future optimization of the in vitro system. The aims of this study were to detect differences in the metabolite profiles of torpedo stage somatic and zygotic embryos of C. persicum. Moreover, major metabolites in endosperm and testa were identified and quantified. Two sets of extracts of two to four biological replicates each were analyzed. In total 52 metabolites were identified and quantified in the different tissues. One of the most significant differences between somatic and zygotic embryos was that the proline concentration in the zygotic embryos was about 40 times higher than that found in somatic embryos. Epicatechin, a scavenger for reactive oxygen species, was found in highest abundance in the testa. Sucrose, the most abundant metabolite was detected in significantly higher concentrations in zygotic embryos. Also, a yet unknown trisaccharide, was significantly enriched in zygotic embryos.