Serum-Starved Apoptotic Fibroblasts Reduce Blastocyst Production but Enable Development to Term after SCNT in Cattle

Cell cycle synchronization by serum starvation (SS) induces apoptosis in somatic cells. This side effect of SS is hypothesized to negatively affect the outcome of somatic cell nuclear transfer (SCNT). We determined whether apoptotic fibroblasts affect SCNT yields. Serum-starved, adult, bovine fibroblasts were stained with annexin V-FITC/propidium iodide to allow apoptosis detection by flow cytometry. Positive and negative cells sorted by fluorescence activated cell sorting (FACS) and an unsorted control group were used as nuclear donors for SCNT. Reconstructed embryos were cultured in vitro and transferred to synchronized recipients. Apoptosis had no effect on fusion and cleavage rates; however, it resulted in reductions in blastocyst production and quality measured by apoptotic index. However, reconstructed embryos with apoptotic cells resulted in pregnancy rates similar to that of the control on day 30, and generated one live female calf. In conclusion, we showed that apoptotic cells present in serum-starved cultures negatively affect embryo production after SCNT without compromising full-term development. Further studies will evaluate the ability of the oocyte to reprogram cells in specific phases of apoptosis.

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.

Imprinted gene expression in in vivo- and in vitro-produced bovine embryos and chorio-allantoic membranes

Cloning by nuclear transfer is often associated with poor results due to abnormal nuclear reprogramming of somatic donor cells and altered gene expression patterns. We investigated the expression patterns of imprinted genes IGF2 and IGF2R in 33- to 36-day bovine embryos and chorio-allantoic membranes derived from in vivo- and in vitro-produced embryos by somatic cell nuclear transfer (SCNT), parthenogenetic activation, and in vitro fertilization (IVF). There was a lower IGF2 expression rate in the SCNT (0.19) and parthenogenetic (0.02) groups when compared to in vivo and IVF embryos (2.01; P < 0.05). In the chorio-allantoic membranes, IGF2 showed a baseline expression pattern (P < 0.05) in parthenotes (0.001) when compared to in vivo, IVF (3.13), and SCNT (0.98) groups. IGF2R was less expressed (P < 0.05) in SCNT chorio-allantoic membranes (0.25) when compared to the in vivo group. The low expression of IGF2 in parthenogenetic embryos and chorio-allantoic membranes confirms its imprinted status in cattle. Alterations in the relative frequency of IGF2 and IGF2R transcripts were observed in SCNT-derived bovine embryos and chorioallantoic membranes, respectively, supporting the hypothesis that abnormalities in the expression of imprinted genes are causes of the low efficiency of SCNT procedures in this species.

Insights on bovine genetic engineering and cloning

Transgenic technology has become an essential tool for the development of animal biotechnologies, and animal cloning through somatic cell nuclear transfer (SCNT) enabled the generation of genetically modified animals utilizing previously modified and selected cell lineages as nuclei donors, assuring therefore the generation of homogeneous herds expressing the desired modification. The present study aimed to discuss the use of SCNT as an important methodology for the production of transgenic herds, and also some recent insights on genetic modification of nuclei donors and possible effects of gene induction of pluripotency on SCNT.

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.

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.

Dérivation de cellules souches pluripotentes induites autologues à partir du clonage somatique équin

Le recours aux cellules souches pour améliorer la réparation et guérison des blessures et maladies musculosquelettiques chez le cheval est de plus en plus fréquent. Les développements récents dans la reprogrammation cellulaire ont permis le développement de nouvelles sources de cellules souches pour ces thérapies régénératives. Des cellules souches pluripotentes induites (iPS) autologues peuvent être dérivées de cellules adultes par la reprogrammation directe à travers l'expression induite des gènes de pluripotence. Le clonage par transfert nucléaire (SCNT) suivi de la dérivation de cellules souches embryonnaires (ES) permet la reprogrammation indirecte des cellules adultes. Cependant, l’efficacité de ces deux méthodes pour la dérivation de cellules pluripotentes génétiquement stables est faible. Nous avons donc combiné les techniques SCNT et iPS dans le but de développer un protocole efficace de dérivation de cellules iPS autologues à partir de fibroblastes de la peau équine. Quatre facteurs de reprogrammation ont été introduits dans les cellules fibroblastes de fœtus clonés (ntFF) ainsi que les cellules ES provenant d’embryons clonés (ntES) pour induire leur reprogrammation en cellules iPS autologues. Les cellules ntFF-iPS et ntES-iPS ont des capacités prolifératives avancées et expriment des marqueurs de pluripotence importants. Par contre, les cellules ntES ont une efficacité de reprogrammation significativement supérieure aux cellules nt-FF et forment des colonies trois fois plus rapidement. Contrairement aux cellules ntES, les cellules ntES-iPS démontrent une augmentation de l’expression des marqueurs de pluripotence et survivent à la culture cellulaire prolongée. Les résultats présentés dans ce mémoire attestent que l’utilisation de la reprogrammation secondaire de cellules FF et ES clonées permet la production de cellules souches pluripotentes autologues stables chez le cheval.

Effets de la reprogrammation sur le gène empreinté H19 chez les équins

Lors de la fécondation, le génome subit des transformations épigénétiques qui vont guider le développement et le phénotype de l’embryon. L'avènement des techniques de reprogrammation cellulaire, permettant la dédifférenciation d'une cellule somatique adulte, ouvre la porte à de nouvelles thérapies régénératives. Par exemple, les procédures de transfert nucléaire de cellules somatique (SCNT) ainsi que la pluripotence par induction (IP) visent à reprogrammer une cellule somatique adulte différentiée à un état pluripotent similaire à celui trouvé durant la fécondation chez l'embryon sans en impacter l'expression génique vitale au fonctionnement cellulaire. Cependant, la reprogrammation partielle est souvent associée à une mauvaise méthylation de séquences géniques responsables de la régulation des empreintes géniques. Ces gènes, étudiés chez la souris, le bovin et l'humain, sont exprimés de manière monoallélique, parent spécifique et sont vitaux pour le développement embryonnaire. Ainsi, nous avons voulu définir le statut épigénétique du gène empreinté H19 chez l'équin, autant chez le gamètes que les embryons dérivés de manière in vivo, SCNT ainsi que les cellules pluripotentes induites (iPSC). Une région contrôle empreinté (ICR) riche en îlots CpG a été observée en amont du promoteur. Couplé avec une analyse de transcrit parent spécifique du gène H19, nous avons confirmé que l'empreinte du gène H19 suit le modèle insulaire décrit chez les autres mammifères étudiés et résiste à la reprogrammation induite par SCNT ou IP. La déméthylation partielle de l'ICR observée chez certains échantillons reprogrammés n'était pas suffisante pour induire une expression biallélique, suggérant un contrôle des empreintes chez les équins durant la reprogrammation.

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)

Efeitos da clonagem na inativação do cromossomo X e da regulação nutricional do metabolismo da metionina na qualidade ovocitária em bovinos

Pós-graduação em Medicina Veterinária - FMVZ

Epigenética do desenvolvimento em bovinos: DNA metiltransferases e genes imprinted em embriões, fetos e placentas

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)