Istone H4 acetilato trattenuto nello sperma di toro associato a fertilità

//Istone H4 acetilato trattenuto nello sperma di toro associato a fertilità

Istone H4 acetilato trattenuto nello sperma di toro associato a fertilità

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

  1. Department of Animal and Dairy Sciences, Mississippi State University, Starkville, MS, United States,
  2. Department of Genetics, School of Medicine, Yale University, New Haven, CT, United States,
  3. Department of Zoology, Pir Mehr Ali Shah-Arid Agriculture University, Rawalpindi, Pakistan,
  4. Warren Alpert Medical School of Brown University, Providence, RI, United States,
  5. Department of Pediatrics, Women and Infants Hospital of Rhode Island, Providence, RI, United States,
  6. Center for Computational Molecular Biology, Brown University, Providence, RI, United States,
  7. Department of Reproductionand Artificial Insemination, Selcuk University, Konya, Turkey,
  8. URUS Group LP, Madison, WI, United States,
  9. Department ofAnimal Science, Federal University of Ceará, Fortaleza, Brazil

Frontiers in Veterinary Science | www.frontiersin.org 1 July 2019 | Volume 6 | Article 223

doi: 10.3389/fvets.2019.00223

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