Bone morphogenetic protein 15 and fibroblast growth factor 10 enhance cumulus expansion, glucose uptake, and expression of genes in the ovulatory cascade during in vitro maturation of bovine cumulus-oocyte complexes

Oocyte-secreted factors (OSFs) regulate differentiation of cumulus cells and are of pivotal relevance for fertility. Bone morphogenetic protein 15 (BMP15) and fibroblast growth factor 10 (FGF10) are OSFs and enhance oocyte competence by unknown mechanisms. We tested the hypothesis that BMP15 and FGF10, alone or combined in the maturation medium, enhance cumulus expansion and expression of genes in the preovulatory cascade and regulate glucose metabolism favouring hyaluronic acid production in bovine cumulus-oocyte complexes (COCs). BMP15 or FGF10 increased the percentage of fully expanded COCs, but the combination did not further stimulate it. BMP15 increased cumulus cell levels of mRNA encoding a disintegrin and metalloprotease 10 (ADAM10), ADAM17, amphiregulin (AREG), and epiregulin (EREG) at 12 h of culture and of prostaglandin (PG)-endoperoxide synthase 2 (PTGS2), pentraxin 3 (PTX3) and tumor necrosis factor alpha-induced protein 6 (TNFAIP6 (TSG6)) at 22 h of culture. FGF10 did not alter the expression of epidermal growth factor-like factors but enhanced the mRNA expression of PTGS2 at 4 h, PTX3 at 12 h, and TNFAIP6 at 22 h. FGF10 and BMP15 stimulated glucose consumption by cumulus cells but did not affect lactate production or levels of mRNA encoding glycolytic enzymes phosphofructokinase and lactate dehydrogenase A. Each growth factor increased mRNA encoding glucosamine:fructose-6-PO4 transaminases, key enzymes in the hexosamine pathway leading to hyaluronic acid production, and BMP15 also stimulated hyaluronan synthase 2 (HAS2) mRNA expression. This study provides evidence that BMP15 and FGF10 stimulate expansion of in vitro-matured bovine COCs by driving glucose metabolism toward hyaluronic acid production and controlling the expression of genes in the ovulatory cascade, the first acting upon ADAM10, ADAM17, AREG, and EREG and the second on downstream genes, particularly PTGS2. © 2013 Society for Reproduction and Fertility.

Fibroblast growth factor 17 and bone morphogenetic protein 15 enhance cumulus expansion and improve quality of in vitro-produced embryos in cattle

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

Efeitos e regulação da expressão do kit ligante (KL) durante a maturação in vitro do complexo cumulus-oócito bovino

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

Regulação da expressão de fatores secretados pelo oócito (FSOs) e seus receptores durante a maturação in vitro (MIV) bovina e ações no controle da expressão de cumulus

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Efeitos do fator de crescimento dos fibrobalstos 8 (FGF8) durante a maturação in vitro do complexo cumulus-oócito bovino

Pós-graduação em Ciências Biológicas (Farmacologia) - IBB

Paracrine and autocrine factors in the differentiation of the cumulus-oocyte complex

A better understanding of the paracrine and autocrine regulatory loops within the cumulus-oocyte complex (COC) is fundamental for the improvement of in vitro maturation (IVM) outcomes in humans and domestic species. This review presents the most important local regulators identified in the COC to date with special attention to those secreted by the oocyte and acting on cumulus cells, as well as their roles in different processes crucial for the successful maturation of the COC. An autocrine regulatory loop mediated by epidermal growth factor-like (EGF-like) peptides in cumulus cells triggers COC maturation. During COC differentiation, oocyte secreted factors (OSFs), particularly members of the transforming growth factor-beta (TGF beta) and fibroblast growth factor (FGF) families, regulate meiotic resumption, cumulus expansion, cumulus metabolism, apoptosis and steroidogenesis.

Effect of oil overlay on inhibition potential of roscovitine in sheep cumulus-oocyte complexes

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

The role of the nuclear receptor Nr5a2 in ovulation in mice

Le récepteur nucléaire Nr5a2 est exprimé dans l’ovaire, plus spécifiquement dans les cellules de granulosa et lutéales. Une déplétion conditionnelle de Nr5a2 dans les cellules de granulosa au stade de follicule primaire par croisement de souris Nr5a2-flox et Amhr2-Cre (Nr5a2f/fAmhr2Cre/+) génère des problèmes au niveau de l’expansion du cumulus, de l’ovulation et de la lutéinisation. Ainsi, nous estimons que Nr5a2 régule les connexions intercellulaires dans le follicule ovarien via la connexine 43 (Cx43), une protéine de jonction impliquée dans l’expansion du cumulus. Le premier objectif de l’étude était de déterminer si l’absence d’expansion du cumulus chez les souris Amhr2Cre-cKO est liée à l’absence de communication intercellulaire adéquate entre les cellules de granulosa et de cumulus dans les follicules préovulatoires. À cette fin, des ovaires de souris immatures Amhr2Cre-cKO et non transgéniques ont été prélevés (n=3) après un traitement de superstimulation utilisant les gonadotropines eCG suivie de hCG afin d’induire l’ovulation. Nous avons ainsi démontré, par RT-PCR, une sous-expression de Cx43 avant et au moment du stimulus ovulatoire (0 h et 2 h) chez le groupe Amhr2Cre-cKO (P<0.01), ce qui pourrait mener à un problème dans l’acquisition de la compétence développementale de l’oocyte. D’un autre côté, au moment de l’ovulation (12 h), l’ARNm de Cx43 est surexprimé dans le groupe Amhr2Cre-cKO, ce qui pourrait prévenir les cellules du cumulus de se détacher l’une de l’autre. Nous avons ainsi conclu que Cx43 est un gène sous le contrôle de Nr5a2 et qu’une régulation erronée de ce gène est une cause possible du problème d’expansion du cumulus chez les souris Amhr2Cre-cKO. Afin d’examiner le rôle de Nr5a2 dans l’ovulation et la lutéinisation à différents stades de la maturation folliculaire, nous suggérons que Nr5a2 module la séquence temporelle des événements menant à l’ovulation. En croisant des souris Nr5a2-flox et Cyp19-Cre (Nr5a2f/fCyp19Cre/+), l’expression de Nr5a2 a été interrompue dans les cellules de granulosa des follicules antraux et préovulatoires. Aucune portée n’a été obtenue de ces souris (n=4) durant un essai d’accouplement de 6 mois. Chez les souris Cyp19Cre-cKO on remarque la présence de structures s’apparentant à des cellules de type lutéales et les femelles âgées d’un an présentent des kystes folliculaires hémorragiques et une hypertrophie de l’épithélium en surface de l’ovaire. Les deux modèles transgéniques démontrent donc une absence de l’expansion du cumulus et de l’ovulation. En conclusion, Nr5a2 semble réguler différemment la folliculogenèse et l’ovulation dans les cellules de granulosa des follicules primaires et antraux.

Régulation de la fonction ovarienne par la voie de signalisation des WNTs

Les WNTs sont des glycoprotéines sécrétées impliquées dans plusieurs processus tels que la spécification cellulaire, la prolifération, la différenciation, et beaucoup d’autres. Pour transmettre leur signal, les WNTs se lient aux récepteurs Frizzled (FZD) et au co-récepteur « Low-density-lipoprotein receptor Related Protein » (LRP) 6 ou 5, activant ainsi l’une des trois principales voies de signalisation: la voie de signalisation WNT/β-caténine (voie canonique), la voie « Planar Cell Polarity » (PCP) et la voie WNT/Ca2+ (voies non-canoniques). Des antagonistes de cette voie, les « Secreted Frizzled Related Protein » (SFRPs), peuvent aussi se lier aux WNTs pour empêcher leur liaison aux récepteurs FZDs. Bien que des rôles importants aient été associés à plusieurs composants de la voie des WNTs lors de la régulation de l’ovaire adulte, le fonctionnement exact de cette signalisation reste nébuleux. L’objectif global de cette thèse visait donc à mieux comprendre la voie de signalisation des WNTs au niveau de l’ovaire adulte de souris, par la caractérisation de deux autres composants de cette voie, FZD1 et SFRP4. La création et l’analyse de souris Fzd1 et Sfrp4 KO ont démontré que FZD1 est nécessaire pour la régulation des gènes associés à l’expansion du cumulus, dans le complexe ovocyte-cumulus (COC). Nous avons aussi constaté que SFRP4 avait un rôle à jouer lors de la régulation des gènes associés à l’expansion du cumulus mais cette fois, au niveau des cellules de la granulosa. Finalement, les résultats in vivo et in vitro de cette étude ont suggéré que la voie PCP, contrairement à la voie canonique, pourrait être modulée dans les cellules de la granulosa des souris Sfrp4 KO, possiblement grâce au signal induit par WNT4 et WNT5a. Ces données ont permis de créer un modèle hypothétique représentant la régulation de la signalisation ovarienne par les WNTs. Ce modèle servira de base pour l’élaboration de futurs projets de recherche visant à comprendre davantage la signalisation ovarienne et les possibles effets de sa dérégulation lors de processus pathologiques. Ces connaissances pourront ensuite être appliquées chez l’humain afin de traiter plusieurs maladies ou dérèglements ovariens.

The orphan nuclear receptor NR5A2 regulates peri-ovulatory events and their consequent luteinization in mice

Le récepteur nucléaire Nr5a2, également connu sous le nom de liver receptor homolog-1 (Lrh-1), est exprimé au niveau de l’ovaire chez la souris, exclusivement dans les cellules lutéales et de la granulosa. La perturbation de Nr5a2, spécifique aux cellules de la granulosa chez la souris à partir des follicules primaires dans la trajectoire du développement folliculaire a démontré que Nr5a2 est un régulateur clé de l’ovulation et de la fertilité chez la femelle. Notre hypothèse veut que Nr5a2 régule les évènements péri- et post-ovulatoires dans une séquence temporelle lors de la folliculogénèse. Afin d'étudier l’implication de Nr5a2 lors de l’ovulation et de la lutéinisation à différents stades du développement folliculaire, nous avons généré deux modèles de souris knockout spécifiques aux cellules de la granulosa pour Nr5a2: 1) Nr5a2Amhr2-/-, avec une réduction de Nr5a2 à partir des follicules primaires et subséquents; 2) Nr5a2Cyp19-/-, avec une réduction de Nr5a2 débutant au stade antral de développement en progressant. L’absence de Nr5a2 à partir des follicules antraux a résulté en une infertilité chez les femelles Nr5a2Cyp19-/-, de même qu’en des structures non-fonctionnelles similaires aux structures lutéales au niveau des ovaires, en une réduction des niveaux de progestérone synthétisée ainsi qu’en un échec dans le support d’une pseudo-gestation. La synthèse de progestérone a été entravée suite à l’absence de Nr5a2 par l’entremise d’une régulation à la baisse des gènes reliés au transport du cholestérol, Scarb1, StAR et Ldlr, démontré par qPCR. Les complexes cumulus-oocytes des femelles Nr5a2Cyp19-/- immatures super-stimulées ont subi une expansion in vivo, mais l’ovulation a été perturbée, possiblement par une régulation à la baisse du gène du récepteur de la progestérone (Pgr). Un essai d’expansion du cumulus in vitro a démontré une expansion défectueuse du cumulus chez les Nr5a2Amhr2-/-, associée à un dérèglement de la protéine des jonctions communicantes (Gja1; Cx43). Cependant, l’expansion du cumulus chez les Nr5a2Cyp19-/- n’a pas été autant affectée. Des résultats obtenus par qPCR ont démontré une régulation à la baisse dans l’expression des gènes Areg, Ereg, Btc et Tnfaip6 chez les deux modèles de cellules ovariennes knockout à 2h et 4h post hCG. Nous avons observé que 85% des oocytes, chez les deux génotypes mutants, peuvent subir une rupture de la vésicule germinative, confirmant leur capacité de maturation in vivo. La technique d’injection intra-cytoplasmique de spermatozoïdes a prouvé que les oocytes des deux génotypes mutants sont fertilisables et que 70% des embryons résultants ont poursuivi leur développement vers le stade de blastocyste, et ce, indépendamment du génotype. En conclusion, Nr5a2 régule la fertilité chez les femelles tout au long du processus du développement folliculaire. Il a été démontré que Nr5a2 est essentiel à la lutéinisation et que sa perturbation dans les cellules somatiques ovariennes ne compromet pas la capacité des oocytes à être fertilisés. En vue d’ensemble, nous avons fourni une investigation inédite et complète, utilisant de multiples modèles et techniques afin de déterminer les mécanismes par lesquels Nr5a2 régule les importants processus que sont l’expansion du cumulus, l’ovulation ainsi que la formation du corps jaune.

Local roles of TGF-beta superfamily members in the control of ovarian follicle development

Members of the transforming growth factor-beta (TGF-beta) superfamily have wide-ranging influences on many tissue and organ systems including the ovary. Two recently discovered TGF-beta superfamily members, growth/differentiation factor-9 (GDF-9) and bone morphogenetic protein-15 (BMP-15; also designated as GDF-9B) are expressed in an oocyte-specific manner from a very early stage and play a key role in promoting follicle growth beyond the primary stage. Follicle growth to the small antral stage does not require gonadotrophins but appears to be driven by local autocrine/paracrine signals from both somatic cell types (granulosa and theca) and from the oocyte. TGF-beta superfamily members expressed by follicular cells and implicated in this phase of follicle development include TGF-beta, activin, GDF-9/9B and several BMPs. Acquisition of follicle-stimulating hormone (FSH) responsiveness is a pre-requisite for growth beyond the small antral stage and evidence indicates an autocrine role for granulosa-derived activin in promoting granulosa cell proliferation, FSH receptor expression and aromatase activity. Indeed, some of the effects of FSH on granulosa cells may be mediated by endogenous activin. At the same time, activin may act on theca cells to attenuate luteinizing hormone (LH)-dependent androgen production in small to medium-size antral follicles. Dominant follicle selection appears to depend on differential FSH sensitivity amongst a growing cohort of small antral follicles. Activin may contribute to this selection process by sensitizing those follicles with the highest "activin tone" to FSH. Production of inhibin, like oestradiol, increases in selected dominant follicles, in an FSH- and insulin-like growth factor-dependent manner and may exert a paracrine action on theca cells to upregulate LH-induced secretion of androgen, an essential requirement for further oestradiol secretion by the pre-ovulatory follicle. Like activin, BMP-4 and -7 (mostly from theca), and BMP-6 (mostly from oocyte), can enhance oestradiol and inhibin secretion by bovine granulosa cells while suppressing progesterone secretion; this suggests a functional role in delaying follicle luteinization and/or atresia. Follistatin, on the other hand, may favor luteinization and/or atresia by bio-neutralizing intrafollicular activin and BMPs. Activin receptors are expressed by the oocyte and activin may have a further intrafollicular role in the terminal stages of follicle differentiation to promote oocyte maturation and developmental competence. In a reciprocal manner, oocyte-derived GDF-9/9B may act on the surrounding cumulus granulosa cells to attenuate oestradiol output and promote progesterone and hyaluronic acid production, mucification and cumulus expansion.(C) 2003 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Use of oocyte transfer in a commercial breeding program for mares with reproductive abnormalities

In some mares with lesions of the reproductive tract, embryo collection and survival rates are low or collection of embryos is not feasible. For these mares, oocyte transfer has been proposed as a method to induce pregnancies. In this report, a method for oocyte transfer in mares and results of oocyte transfer performed over 2 breeding seasons, using mares with long histories of subfertility and various reproductive lesions, are described.Human chorionic gonadotropin or an implant containing a gonadotropin-releasing hormone analog was used to initiate follicular and oocyte maturation. Oocytes were collected by means of transvaginal ultrasound-guided follicular aspiration. Following follicular aspiration, cumulus oocyte complexes were evaluated for cumulus expansion and signs of atresia; immature oocytes were cultured in vitro to allow maturation. The recipient's ovary and uterine tube (oviduct) were exposed through a flank laparotomy with the horse standing, and the oocyte was slowly deposited within the oviduct. Oocyte transfer was attempted in 38 mares between 9 and 30 years old during 2 successive breeding seasons. All mares had a history of reproductive failure while in breeding and embryo transfer programs. Twenty pregnancies were induced. Fourteen of the pregnant mares delivered live foals. Results suggest that oocyte transfer can be a successful method for inducing pregnancy in subfertile mares in a commercial setting..

Effects of FSH on the expression of receptors for oocyte-secreted factors and members of the EGF-like family during in vitro maturation in cattle

FSH induces expansion of bovine cumulus-oocyte complexes (COCs) in cattle, which can be enhanced by oocyte-secreted factors (OSFs). In this study it was hypothesised that FSH stimulates COC expansion in part from direct stimulation of the epidermal growth factor (EGF)-like ligands amphiregulin (AREG), epiregulin (EREG) and betacellulin (BTC), but also in part through regulation of OSFs or their receptors in cumulus cells. Bovine COCs were cultured in defined medium with graded doses of FSH. In the absence of FSH, COCs did not expand. FSH caused cumulus expansion, and increased the abundance of AREG and EREG mRNA in a time- and dose-dependent manner, but decreased BTC mRNA levels. FSH had modest stimulatory effects on the levels of mRNA encoding the bone morphogenetic protein 15 (BMP15) receptor, BMPR1B, in cumulus cells, but did not alter mRNA expression of the growth and differentiation factor 9 (GDF9) receptor, TGFBR1. More interestingly, FSH dramatically stimulated levels of mRNA encoding two receptors for fibroblast growth factors (FGF), FGFR2C and FGFR3C, in cumulus cells. FSH also stimulated mRNA expression of FGFR1B, but not of FGFR2B in cumulus cells. Based on dose-response studies, FGFR3C was the receptor most sensitive to the influence of FSH. This study demonstrates that FSH stimulates the expression of EGF-like factors in bovine cumulus cells, and provides evidence that FSH differently regulates the expression of distinct receptors for OSFs in cumulus cells. © CSIRO 2013.