Introduzione
La fertilità del toro è una caratteristica economicamente importante ed è definita come la capacità dello sperma di fecondare e attivare l’ovulo e di sostenere lo sviluppo dell’embrione che è cruciale per una riproduzione efficiente del bestiame. La fertilità è un tratto complesso con numerosi determinanti tra cui genetica molecolare, epigenetica, aspetti cellulari e fisiologici dello sperma. Le tecniche tradizionali di valutazione del seme comprendono analisi della motilità degli spermatozoi, dell’integrità della membrana e della morfologia per stimare la fertilità del toro. Tuttavia, sono sia tediosi che inaffidabili. Pertanto, le differenze di fertilità tra i maschi non possono essere determinate accuratamente con questi metodi convenzionali (Rodríguez-Martínez et al. Anim Front. 2013). L’identificazione di biomarcatori molecolari, cellulari e fisiologici associati alla capacità riproduttiva, è vitale per la valutazione della qualità dello sperma e la previsione della fertilità del toro. La struttura della cromatina spermatica subisce un processo di rimodellamento della cromatina, compresa la metilazione del DNA e le modifiche post-traslazionali dell’istone per raggiungere la maturazione finale. Tali modifiche, comprendono il profilo epigenetico di una cellula spermatica e influenzano l’accessibilità del genoma maschile al fattore di trascrizione materna nello sviluppo embrionale (Brunner AM et al., Epigenetics Chromatin., 2014; Miller D et al. Reproduction, 2010 ).
Nei mammiferi, la cromatina dello sperma è altamente compattata rispetto alle cellule non germinali. Il DNA dello sperma è strettamente arrotolato attorno al complesso nucleoistone che comprende istone H2A, istone H2B, istone 3 (H3), istone 4 (H4) e protamine (PRM). Durante la spermatogenesi, gli istoni core vengono sostituiti dalle proteine di transizione 1 (TP1) e TP2, quindi le proteine di transizione (TPS) vengono sostituite da protamine specifiche del testicolo (Balhorn R. et al., Genome Biol., 2007; Zhao M. et al., Mol Cell Biol., 2001). Seguito dal confezionamento della cromatina di sperma in protamine, il DNA è strettamente arrotolato in una forma a ciambella compatta, chiamata anche toroide protamina. Tuttavia, circa il 15% per cento degli spermatozoi contiene ancora istoni nella fase finale della spermiogenesi nell’uomo (Oliva R., Hum Reprod Update., 2006). A causa della ritenzione di istoni nei topi e nell’uomo (Hammoud SS et al., Nature, 2009), il DNA legato agli istoni rispetto alle protamine è meno condensato e i geni paterni possono interagire facilmente con i fattori di trascrizione. D’altra parte, il DNA dello sperma è più vulnerabile ai fattori di stress ambientale nello stato di de-condensa perché la testa dello sperma condensata protegge il DNA dai danni ambientali. Inoltre, l’iperacetilazione dell’H4 degli istoni core ha un ruolo significativo nello scambio istone-protamina.
Precedenti studi hanno dimostrato che il danno alla cromatina degli spermatozoi riduce la fertilità nei tori (García-Macías V. et al., Int J Androl., 2007) e che la subfertilità è associata a protaminazione anormale e acetilazione di H4 negli spermatozoi umani. Inoltre, hanno riferito che un aumento della trimetilazione dell’H3K27 (H3K27me3) nel genoma spermatico, silenzia i promotori del gene nei primi embrioni. Inoltre, l’acetilazione dell’H4 è correlata al successo del rimodellamento della cromatina durante la spermatogenesi (Kleiman SE et al., Fertil Steril., 2008). Kutchy et al. hanno dimostrato l’associazione tra intensità dell’istone 2B specifico del testicolo e fertilità del toro. Inoltre, gli istoni trattenuti possono regolare epigeneticamente l’espressione genica nell’embrione precoce ( Schagdarsurengin U. et al., Nat Rev Urol., 2012). Infine, i nostri dati preliminari hanno suggerito la possibilità che H4 e H4 acetilato possano essere correlati alla fertilità del toro (Ugur MR et al., 2018). ). Questi dati indicano l’importanza del rimodellamento della cromatina degli istoni e del loro PTM nella fertilità. Tuttavia, le quantità di H4, le sue modificazioni post-traduzionali e fino a che punto questi attributi molecolari influenzano la struttura della cromatina spermatica e la fertilità del toro non sono ben studiate.
L’obiettivo di questo studio era di verificare l’ipotesi che l’H4 dello sperma e le sue modificazioni post-traduzionali siano associati alla dinamica della cromatina e alla fertilità del toro. Sono stati utilizzati esperimenti di citometria a flusso per quantificare H4 e H4 acetilato nello sperma di toro con diversi punteggi di fertilità. Inoltre, la localizzazione e la presenza di H4 e la sua forma acetilata sono state determinate usando rispettivamente l’immunocitochimica e gli esperimenti di Western blotting. Inoltre, sono stati applicati la biologia computazionale e strumenti bioinformatici per accertare la conservazione dell’H4 tra le specie di mammiferi e i suoi interagomi e reti. I risultati del presente studio sono significativi perché aiutano a migliorare la comprensione di come l’istone H4 dello sperma regola la fertilità e lo sviluppo dei mammiferi. I risultati migliorano anche la scienza e la tecnologia fondamentali dello sviluppo di gameti e embrioni di mammiferi.
Abstract
La fertilità del toro, ovvero la capacità riproduttiva dello sperma e di attivare l’ovulo e sostenere lo sviluppo dell’embrione, è vitale per la riproduzione e la produzione del bestiame. Anche se la maggior parte degli istoni viene sostituita dalle protamine, alcuni istoni vengono trattenuti nello sperma. È noto che il rimodellamento della cromatina durante la spermatogenesi provoca cambiamenti dinamici nella struttura della cromatina spermatica attraverso modificazioni post-traduzionali (PTM) degli istoni dello sperma, che sono importanti per la regolazione dell’espressione genica. Tuttavia, non sono note le quantità di istone 4 (H4) dello sperma, la sua forma acetilata (H4 acetile) e fino a che punto questi attributi molecolari influenzano la struttura della cromatina spermatica e la fertilità del toro. Queste lacune nella base di conoscenze sono importanti perché impediscono i progressi nella scienza fondamentale del gamete maschile bovino e il miglioramento della fertilità del toro. L’obiettivo di questo studio era di verificare l’ipotesi che la dinamica di espressione e il PTM dell’H4 nello sperma siano associati alla fertilità del toro. La citometria a flusso è stata utilizzata per quantificare la forma acetilata di H4 e l’H4 negli spermatozoi da sette tori Holstein ad alta e sette a bassa fertilità. I risultati hanno indicato che il numero medio di cellule con espressione di H4 acetilato o H4 nello sperma di toro ad alta e bassa fertilità era rispettivamente di 34,6 ± 20,4, 1,88 ± 1,8, 15,2 ± 20,8 e 1,4 ± 1,2. Tuttavia, lo sperma arricchito in H4 acetile e H4 era diverso tra i gruppi di fertilità alta e bassa (3,5 ± 0,6; 1,8 ± 0,8; P=0,043). La localizzazione e il rilevamento dell’acetilazione di H4 e H4 sono stati misurati mediante immunocitochimica che ha rivelato che l’acetilazione di H4 e H4 era equamente distribuita nella testa dello sperma dei genitori con fertilità alta e bassa. I risultati di Western blotting hanno confermato la presenza di H4 e la sua forma acetilata nello sperma. Gli studi di bioinformatica hanno dimostrato che l’H4 è altamente conservato tra i mammiferi e ha una significativa ontologia genetica sulla spermatogenesi, l’impianto precoce dell’embrione e la capacità degli spermatozoi. I risultati sono significativi perché dimostrano la sostituzione dell’istone canonico H4 nell’acetilazione H4 modificata negli spermatozoi e ne regolano la dinamica che è cruciale per la fertilità del toro e la biotecnologia riproduttiva. Questi risultati fanno avanzare la scienza fondamentale dello sviluppo iniziale dei mammiferi e la biotecnologia riproduttiva.
Parole chiave: acetilazione, epigenetica, istone 4, fertilità, sperma
Retained Acetylated Histone Four in Bull Sperm Associated With Fertility
Muhammet Rasit Ugur 1, Naseer Ahmad Kutchy 1,2, Erika Bezerra de Menezes 1, Asma Ul-Husna3, Bethany Peyton Haynes 1, Alper Uzun4,5,6, Abdullah Kaya7, Einko Topper 8, Arlindo Moura9and Erdogan Memili 1
- Department of Animal and Dairy Sciences, Mississippi State University, Starkville, MS, United States,
- Department of Genetics, School of Medicine, Yale University, New Haven, CT, United States,
- Department of Zoology, Pir Mehr Ali Shah-Arid Agriculture University, Rawalpindi, Pakistan,
- Warren Alpert Medical School of Brown University, Providence, RI, United States,
- Department of Pediatrics, Women and Infants Hospital of Rhode Island, Providence, RI, United States,
- Center for Computational Molecular Biology, Brown University, Providence, RI, United States,
- Department of Reproductionand Artificial Insemination, Selcuk University, Konya, Turkey,
- URUS Group LP, Madison, WI, United States,
- Department ofAnimal Science, Federal University of Ceará, Fortaleza, Brazil
Frontiers in Veterinary Science | www.frontiersin.org 1 July 2019 | Volume 6 | Article 223