Cold-inducible RNA-binding protein: an RNA chaperone with potential roles in animal reproductive physiology

Abstract

La vitrificació ha reemplaçat la congelació convencional per a la criopreservació d’ovòcits en diverses espècies. No obstant això, encara no s’ha establert el protocol òptim per a la criopreservació d’ovòcits bovins, encara que s’han desenvolupat diverses estratègies per a millorar els seus resultats. En aquest sentit, s’ha prestat poca atenció a l’estrès subletal per fred com a inductor de criotolerància en ovòcits bovins. La cold-inducible RNA-binding protein (CIRBP) pertany a les proteïnes induïbles per fred (CIPs), un grup de pèptids induïts per hipotèrmia i altres factors d’estrès. CIRBP és un candidat potencial per a millorar la criotolerància dels ovòcits bovins a causa de la seva funció en la supervivència cel·lular. A més, les CIPs exerceixen funcions crucials en el control del ARNm, la qual cosa planteja interrogants sobre la relació entre aquestes proteïnes i els canvis fisiològics que es produeixen en l’aparell reproductor femení. En conseqüència, la present tesi es va dur a terme amb l’objectiu general d’estudiar CIRBP com a molècula potencial per a millorar la vitrificació d’ovòcits bovins i la seva modulació durant els canvis fisiològics en el tracte reproductiu femení. En primer lloc, es va avaluar els efectes de la hipotèrmia en la maduració dels complexos cumulus-ovòcit. A més, es va determinar l’expressió proteica de CIRBP mitjançant Western blot. Es va demostrar que l’estrès per fred augmenta l’expressió de CIRBP. No obstant això, com s’esperava, es van detectar efectes perjudicials induïts pel fred. Després d’aquesta primera aproximació, es van buscar noves estratègies per a augmentar l’expressió de CIRBP evitant els efectes perjudicials del fred. Per a això, es van testar diferents concentracions de CIRBP exògena i una petita molècula hipotèrmico-mimètica ja establerta (zr17-2) com a suplement dels mitjans de maduració in vitro. Es van trobar pocs canvis en el ARNm de CIRBP i altres CIPs relacionats amb aquesta suplementació, però si es van observar increments d’expressió del ARNm de CIRBP i altres CIPs a causa de la hipotèrmia i vitrificació. Finalment, els estudis en el tracte reproductiu femení van revelar que CIRBP està modulada pels canvis hormonals fisiològics i la interacció mascle-femella. Aquesta tesi ofereix una nova visió de la fisiologia reproductiva de CIRBP, tant per a l’increment de coneixement bàsic com per al seu ús potencial en la millora de la vitrificació d’ovòcits bovins. Una millor comprensió del procés reproductiu pot servir com a nous biomarcadors, potencials eines d’avaluació reproductiva i millora de la producció animal.

La vitrificación ha reemplazado la congelación convencional para la criopreservación de ovocitos en varias especies. Sin embargo, aún no se ha establecido el protocolo óptimo para la criopreservación de ovocitos bovinos, aunque se han desarrollado varias estrategias para mejorar sus resultados. En este sentido, se ha prestado poca atención al estrés subletal por frío como inductor de criotolerancia en ovocitos bovinos. La cold-inducible RNA-binding protein (CIRBP) pertenece a las proteínas inducibles por frío (CIPs), un grupo de péptidos inducidos por hipotermia y otros factores de estrés. CIRBP es un candidato potencial para mejorar la criotolerancia de los ovocitos bovinos debido a su función en la supervivencia celular. Además, las CIPs desempeñan funciones cruciales en el control del ARNm, lo que plantea interrogantes sobre la relación entre estas proteínas y los cambios fisiológicos que se producen en el aparato reproductor femenino. En consecuencia, la presente tesis se llevó a cabo con el objetivo general de estudiar CIRBP como molécula potencial para mejorar la vitrificación de ovocitos bovinos y su modulación durante los cambios fisiológicos en el tracto reproductivo femenino. En primer lugar, evaluamos los efectos de la hipotermia en la maduración de los complejos cumulus-ovocito. Además, determinamos la expresión proteica de CIRBP mediante Western blot. Se demostró que el estrés por frío aumenta la expresión de CIRBP. Sin embargo, como se esperaba, se detectaron efectos perjudiciales inducidos por el frío. Tras esta primera aproximación, se buscaron nuevas estrategias para aumentar la expresión de CIRBP evitando los efectos perjudiciales del frío. Para ello, testeamos diferentes concentraciones de CIRBP exógena y una pequeña molécula hipotérmico-mimética ya establecida (zr17-2) como suplemento de los medios de maduración in vitro. Se encontraron pocos cambios en el ARNm de CIRBP y otras CIPs relacionados con esta suplementación, pero si se observaron incrementos de expresión del ARNm de CIRBP y otras CIPs debido a la hipotermia y vitrificación. Finalmente, los estudios en el tracto reproductivo femenino revelaron que CIRBP está modulada por los cambios hormonales fisiológicos y la interacción macho-hembra. Esta tesis ofrece una nueva visión de la fisiología reproductiva de CIRBP, tanto para el incremento de conocimiento básico como para su uso potencial en la mejora de la vitrificación de ovocitos bovinos. Una mejor comprensión del proceso reproductivo puede servir como nuevos biomarcadores, potenciales herramientas de evaluación reproductiva y mejora de la producción animal.

Vitrification has replaced the slow freezing method for cryopreservation of oocytes in several species. However, the optimal protocol for bovine oocyte cryopreservation remains to be established. Several strategies for improving bovine oocyte vitrification have been developed. In this regard, little attention has been given to sublethal mild hypothermia as an inductor of cryotolerance in bovine oocytes. The cold-inducible RNA-binding protein (CIRBP) belongs to the cold-inducible proteins (CIPs), a group of peptides induced by mild hypothermia and other stressors. CIRBP is a potential candidate to improve bovine oocyte cryotolerance due to its function in cell survival. In addition, CIPs play crucial roles in RNA transcript control, raising questions about the link between these proteins and the physiological changes in the female reproductive tract. Accordingly, the present thesis was conducted with the general objective to study CIRBP as a potential molecule to improve bovine oocyte vitrification and its modulation during physiological changes in the female reproductive tract. We first evaluated the effects of cold temperatures on the maturation of bovine cumulus-oocyte complexes. Additionally, we determined CIRBP protein expression by Western blot. Sublethal mild hypothermia was demonstrated to increase the expression of CIRBP. However, as expected, we reported detrimental effects induced by the sublethal stress. After this first approach, we aimed to find other strategies to increase the expression of CIRBP, avoiding the damaging effects of sub-physiological temperature variations. For this purpose, we tested different concentrations of exogenous CIRBP and a well-defined hypothermia mimetic small molecule (zr17-2), to supplement the in vitro maturation media of bovine cumulus-oocyte complexes. Minor changes in mRNA CIRBP expression and other CIPs were linked to this supplementation. Additionally, our results revealed that mild hypothermia and vitrification increased the mRNA expression of CIRBP and other CIPs. Finally, the female reproductive tract studies revealed that CIRBP is physiologically modulated by the cyclic hormonal changes and by the male-female interaction. Overall, this thesis offers new insight into CIRBP reproductive physiology, increasing the knowledge between CIRBP and the female reproductive tract and its potential use in improving bovine oocyte vitrification. A better understanding of the reproductive complex process may serve as novel clinical biomarkers, potential diagnostic tools for reproductive evaluation, and the improvement of animal production.