Novel insights into paternal factors influencing the maternal environment and embryo development

Abstract

For many years, reproductive outcomes were considered as being solely determined by the genome of oocytes and sperm. Yet, in the last decades, many other female and male factors have also been found to be relevant. Focusing on the latter, paternal factors have been proposed to be capable of modulating multiple features of the reproductive process, such as sperm physiology, the maternal environment and, even, the offspring health. Considering that the molecular mechanisms underlying this paternal regulation are mostly unknown, the objective of the present Dissertation was to increase the current knowledge on the role played by seminal plasma (SP) and sperm on the reproductive success, using the bovine and porcine as animal models. Chapter 1 investigated the involvement of SP in the modulation of in vivo fertility and the potential pathways behind this regulation. The SP was found to be able to evoke changes in the female reproductive environment, with a positive effect on early embryo development. Next, the protein (particularly AKR1B1) and metabolite composition of SP was examined to address the potential molecular mechanisms able to modulate in vivo fertility. The results indicated that the positive influence of SP on in vivo fertility outcomes could be attributed to the modulation of the female reproductive tract and sperm physiology. On the other hand, Chapter 2 sought to determine to what extent sperm components, including proteins, metabolites and DNA integrity, can shape in vitro fertility outcomes, particularly oocyte fertilization and pre-implantation embryo development. Data showed that the AKR1B1 present in sperm is involved in the regulation of sperm fertilising ability. In addition, sperm metabolism is also able to influence early embryo development. One feasible explanation for such findings is that sperm AKR1B1 levels and metabolism could affect the production of reactive oxygen species, which are known to induce DNA breaks. For this reason, the last study investigated if DNA breaks might influence in vitro fertility outcomes. Interestingly, DNA fragmentation was identified to compromise embryo development, but not sperm fertilizing ability. In conclusion, the findings of this Dissertation supported that seminal factors can directly and indirectly modulate the maternal environment and influence embryo development. Further research should be focused on comprehensively determining the male-female-embryo cross-talk to better understand which factors underlie the reproductive success in mammals

Durant força temps, el paradigma dominant de la Biologia de la Reproducció ha considerat que l’èxit reproductiu depèn únicament del genoma dels oòcits i els espermatozoides. Tanmateix, en les últimes dècades, s’ha descrit la rellevància d’altres factors, tant femenins com masculins. Concretament, s’ha observat que aquests darrers són capaços de modular diferents aspectes essencials del procés reproductiu, com ara la fisiologia espermàtica, l’ambient matern i, fins i tot, la salut de la descendència. Tenint en compte que els mecanismes moleculars subjacents a aquesta regulació no es coneixen amb profunditat, l’objectiu d’aquesta Tesi Doctoral va ser determinar el paper del plasma seminal (PS) i els espermatozoides en l’èxit reproductiu, emprant les espècies bovina i porcina com a animals model. El Capítol 1 va investigar la implicació del PS en la modulació de la fertilitat in vivo i les vies moleculars relacionades amb aquesta regulació. Es va observar que el PS és capaç de provocar canvis en l'ambient reproductiu femení, la qual cosa es tradueix en un efecte positiu en el desenvolupament embrionari primerenc. Seguidament, es va examinar la composició del PS en termes de proteïnes (particularment AKR1B1) i metabòlits per tal de determinar si aquestes molècules poden alterar la fertilitat in vivo. Els resultats van indicar que la influència positiva d’aquestes molècules en els resultats de fertilitat in vivo podia atribuir-se a la modulació del tracte reproductor femení i la fisiologia de l'espermatozoide. D'altra banda, el Capítol 2 va investigar si els components de l'espermatozoide, incloent proteïnes, metabòlits i la integritat de l’ADN espermàtic, poden influir en la fertilitat in vitro, particularment en la fecundació de l'oòcit i el desenvolupament embrionari pre-implantacional. Es va observar que l’AKR1B1 present a l'espermatozoide està involucrada en la regulació de la seva capacitant fecundant. A més, també es va trobar que el metabolisme de l'espermatozoide influencia el desenvolupament embrionari primerenc. Amb tot plegat, es va suggerir que els nivells d'AKR1B1 de l'espermatozoide i el seu metabolisme podrien afectar la producció d’espècies reactives d'oxigen, que es coneix que indueixen trencaments de ADN. Per aquest motiu, l’últim estudi va investigar si la fragmentació de l’ADN pot afectar l’èxit de la fecundació in vitro. Es va observar que els danys a l’ADN espermàtic comprometen el desenvolupament embrionari però no la capacitat fecundant dels espermatozoides. En conclusió, els resultats d'aquesta Tesi Doctoral demostren que els factors paterns poden influir directament i indirecta tant en l'entorn matern com en la fecundació dels oòcits i el posterior desenvolupament de l'embrió. Per aquest motiu, els estudis futurs s'haurien de centrar en determinar exhaustivament la comunicació entre mascle-femella-embrió per entendre millor els factors subjacents a l'èxit reproductiu en els mamífers