Molecular insights into mammalian sperm physiology: a comparative study of glutathione S-transferases in male reproduction

Abstract

Male infertility is a global health problem affecting one in four infertile couples. This also has a negative repercussion on the animal breeding industry, where infertility has a detrimental impact on their balance sheets. Sperm preservation is a common strategy used together with assisted reproduction techniques in humans and other animals. While sperm conservation methods, both liquid storage and cryopreservation, can lead to sperm damage, they are extensively used. Traditional semen analysis through the seminogram has a limited capacity to predict male infertility disorders and the resilience of sperm to preservation, that is why novel markers to assess sperm quality are needed. This Doctoral Thesis investigated the role of glutathione S-transferases (GSTs), a group of antioxidant proteins, in sperm physiology and male infertility in mammals. The results evidenced the presence of GSTs in reproductive tissues, seminal plasma and sperm of pigs, cattle and humans. The study also uncovered the role of these antioxidant enzymes in sperm detoxification, thus maintaining their basic cellular functions. Moreover, the tight association between sperm function and the presence of GSTs encouraged interrogating whether the quantification of one of these proteins (GSTM3) could serve as an indicator of sperm quality and male infertility. Data supported that the levels of GSTM3 in sperm are associated to their quality and fertility in pigs, cattle and humans. It was also worth investigating the putative use of this protein to predict the capacity of sperm to withstand liquid storage and cryopreservation, with GSTM3 being confirmed to be associated to the sperm resilience to preservation. The findings of this Dissertation warrant the use of these antioxidant proteins as novel biomarkers of sperm quality, fertility and capacity of conservation. The implementation of these biomarkers in fertility clinics and the animal breeding industry may be translated into cost-effective and accurate approaches to diagnose male infertility disorders and anticipate the resilience of sperm to liquid storage and cryopreservation

La infertilitat masculina és un problema de salut mundial que afecta a una de cada quatre parelles infèrtils. La infertilitat també té un efecte advers per a la indústria ramadera, atès el seu impacte negatiu a nivell econòmic. D’altra banda, la conservació de l’esperma és una estratègia que s’utilitza habitualment i en combinació amb altres tècniques de reproducció assistida, tant en humans com en altres espècies animals. Tot i que la conservació del semen mitjançant la refrigeració i la criopreservació es duu a terme abastament, pot generar perjudicis als espermatozoides. A més, l'anàlisi tradicional del semen a través del seminograma no és adequat per predir la infertilitat masculina i la capacitat de resistència dels espermatozoides a la criopreservació i a la refrigeració, de tal manera que hi ha la necessitat de cercar nous marcadors que n’avaluïn la seva qualitat i fertilitat. Aquesta Tesi Doctoral ha investigat el paper de les glutatió S-transferases (GSTs), un grup de proteïnes antioxidants, pel que fa a la fisiologia espermàtica i a la infertilitat masculina. Els resultats van demostrar la presència de les GSTs en els teixits reproductius, el plasma seminal i els espermatozoides de porcs, toros i humans. L'estudi també va descobrir el paper d'aquests enzims antioxidants en la detoxificació dels espermatozoides, la qual cosa permet que mantinguin les seves funcions cel·lulars bàsiques. A més, l'estreta relació entre la funció dels espermatozoides i la presència de les GSTs va suggerir que s’investigués si una d'aquestes proteïnes (la GSTM3) podria ser útil com a indicador de la qualitat seminal i la infertilitat masculina. Els resultats van indicar que els nivells de la GSTM3 en els espermatozoides estan relacionats amb la qualitat i fertilitat d’aquests, en les espècies humana, porcina i bovina. De la mateixa manera, també es va creure convenient investigar l’ús potencial d'aquesta proteïna a l’hora predir la capacitat de conservació dels espermatozoides . Es va determinar que la GSTM3 també pot anticipar la resiliència dels espermatozoides a la refrigeració i a la criopreservació. En definitiva, els resultats d'aquesta Tesi Doctoral encoratgen l'ús d'aquestes proteïnes antioxidants com a nous biomarcadors de qualitat, fertilitat i capacitat de conservació dels espermatozoides. La implementació d’aquests biomarcadors en clíniques de fertilitat i a la indústria ramadera pot comportar estratègies més precises i rendibles pel diagnòstic de la infertilitat masculina i la predicció de la resistència dels espermatozoides a la refrigeració i a la criopreservació