Physiological role of sperm and seminal plasma proteins along the female reproductive tract in livestock

Abstract

In Spain, as well as in the rest of Europe, livestock farming represents a substantial part of economy; thus, it is necessary to ensure an optimal breeding of the main farm animals, including swine and cattle. In order to improve the reproductive performance of the aforementioned species, it is crucial to understand which physiological processes take place after ejaculation. Upon ejaculation, semen results from mixing sperm and a fluid known as seminal plasma. During their passage throughout the female reproductive tract, sperm interact with female tissues/fluids and undergo a maturational process known as sperm capacitation, which is essential for the subsequent fertilisation of the oocyte. Taken this into account, the aim of this Dissertation was to study the role of sperm and seminal plasma proteins in the regulation of sperm capacitation, as well as how they modulate the female genital tract. To this end, three studies focused on pig sperm capacitation were conducted. The first study was centred on the involvement of plasma membrane channels, which allow the movement of molecules that modulate the transduction pathways related to sperm capacitation. The second study suggested that levels of PARK7 protein could be related to a better sperm resilience to the oxidative stress generated during capacitation. Finally, the third study found that the presence of seminal plasma during liquid storage affected the subsequent ability of sperm to elicit capacitation, delaying this process. On the other hand, a fourth study was conducted to investigate the modulation of the female tract environment by seminal plasma and/or sperm in species with intravaginal ejaculation, using the bovine as a model. In summary, both seminal plasma and intrinsic sperm proteins were observed to play a key function in the regulation of sperm capacitation. Moreover, the modulation of the female environment was reported to rely upon the ejaculate deposition site. In the case of species with intravaginal ejaculation, like cattle, the role of sperm appeared to be more relevant than that of seminal plasma. Further studies, however, are needed to determine whether intrinsic sperm proteins or those acquired from seminal plasma exert such a modulatory function. Taken collectively, one can conclude that the regulation of physiological processes taking place after ejaculation in the female reproductive tract is species-specific, and depends on each reproductive strategy. Yet, further research on the regulatory role of sperm and seminal plasma proteins is needed before improvements in the field of assisted reproduction in farm animals and humans may be implemented

Tant a Espanya com a la resta d’Europa, la ramaderia representa una part substancial de l’economia i, per tant, cal assegurar la cria òptima de les principals espècies d’interès productiu (porcina i bovina). Per tal de millorar el rendiment reproductiu d’aquestes espècies, és crucial entendre els processos fisiològics que tenen lloc després de l’ejaculació. En el moment de l’ejaculació, el semen es forma com a resultat de la barreja dels espermatozoides amb un fluid anomenat plasma seminal. Durant el seu pas pel tracte reproductor femení, els espermatozoides interactuen amb aquest i pateixen un procés de maduració anomenat capacitació espermàtica, el qual és imprescindible per a poder fecundar l’oòcit. Així doncs, la finalitat d’aquesta Tesi Doctoral va ser estudiar el paper de les proteïnes de l’espermatozoide i del plasma seminal sobre la regulació de la capacitació espermàtica així com en la interacció amb el tracte femení. Amb aquest objectiu, es van realitzar tres estudis focalitzats en el procés de capacitació en l’espècie porcina. El primer dels estudis va destacar la implicació dels canals que es troben a la membrana de l’espermatozoide, els quals permeten l’entrada i sortida de molècules que poden tenir un efecte sobre les vies que regulen els canvis moleculars que es produeixen durant la capacitació. El segon estudi va suggerir que els nivells de la proteïna PARK7 poden estar relacionats amb una major tolerància a la situació d’estrès oxidatiu que pateix l’espermatozoide durant el procés de capacitació. Finalment, el tercer estudi va concloure que la presència de plasma seminal durant la conservació del semen (refrigeració) afecta a la posterior capacitació espermàtica, retardant aquest procés. Per altra banda, es va realitzar un quart estudi que va investigar la modulació de l’ambient del tracte femení per part del plasma seminal i/o l’espermatozoide en espècies amb ejaculació vaginal, utilitzant el boví com espècie model. En resum, pel que fa a la regulació de la capacitació, tant les proteïnes intrínseques de l’espermatozoide com el plasma seminal tenen un paper crucial en aquest procés. En canvi, la modulació de l’ambient del tracte femení sembla dependre del lloc de deposició de l’ejaculació. En el cas de les espècies amb ejaculació vaginal, el paper de l’espermatozoide resulta ser més rellevant que el del plasma seminal. Tot i això, són necessaris més estudis per tal de determinar si son les proteïnes intrínseques de l’espermatozoide o les adquirides del plasma seminal les que realitzen aquesta funció de modulació. En conjunt, es pot concloure que la modulació dels processos fisiològics que tenen lloc després de l’ejaculació, al tracte femení, depenen de l’estratègia reproductiva de cada espècie, i que la recerca futura centrada en la seva regulació per part de les proteïnes espermàtiques i del plasma seminal és crucial a l’hora d’aplicar millores en el camp de la reproducció assistida animal y humana