Mapping the glucocorticoids during reproductive events: Checks and balances in their expression across species

Abstract

Les tècniques de reproducció assistida han millorat enormement durant les darreres dècades. No obstant això, encara hi ha un llarg camí a recórrer per tal d'assolir taxes d'èxit que siguin acceptables. El desenvolupament d'estratègies per mitigar l'estrès cel·lular in vitro, juntament amb una millor comprensió de rutes de senyalització implicades en la fisiologia reproductiva i la fertilitat, pot proporcionar noves valuoses perspectives per aquest àmbit. La regulació dels glucocorticoides (GCs) pot ser una ruta de senyalització candidata en aquest sentit. Els GCs són hormones esteroidals que poden inhibir la reproducció durant les respostes al estrès, però que són essencials a nivell basal per a importants esdeveniments de la fisiologia reproductiva a la femella, incloent l'ovulació, la maduració del oòcit o la implantació. El rol dels GCs a la reproducció és complex i sembla variar en funció de l'espècie. El mecanisme involucrat en la seva regulació no és clar actualment, però moltes de les seves accions s'atribueixen al receptor de GCs, NR3C1, i també als enzims que controlen la disponibilitat de GC, així com a les immunofilines FKBP4 i FKBP5, implicades en la regulació de les accions de NR3C1 al nucli. En conseqüència, en aquesta tesi s'estudia el rol de l'expressió gènica i proteica del receptor (i altres molècules implicades en la regulació de GCs) en la funció reproductiva, mitjançant la determinació de la modulació en el tracte reproductiu de la femella durant diferents esdeveniments reproductius in vivo i in vitro. En aquest sentit, es va estudiar l'expressió de la regulació de GCs en cèl·lules del cúmulus i oòcits de boví sotmesos a maduració in vitro, vitrificació i suplementació amb coenzim Q10 (Q10), una molècula endògena amb importants propietats a nivell mitocondrial. Així, es va demostrar que la Q10 és beneficiosa per a la preservació de la integritat de l'oòcit post-vitrificació, que exerceix un efecte positiu contra l'apoptosi, i que pot influir en la regulació dels GCs en el gàmeta femení. A més, es van determinar els canvis en l'expressió basal relacionada amb els GCs a l'endometri i l'ampolla del boví, al llarg de les diferents fases del cicle estral. Aquests canvis van mostrar un patró espai-temporal de coincidència amb els esdeveniments reproductius, suggerint una funció rellevant dels GCs a l'oviducte durant la fase postovulatòria. Després d'aquesta aproximació, l'objectiu va ser entendre la influència de la interacció mascle-femella en l'expressió de la regulació de GCs, avaluant els efectes de la munta natural, la inseminació artificial i la infusió amb plasma seminal al tracte reproductiu de truges en fase preovulatòria. D'acord amb els nostres resultats, la munta natural indueix una regulació molt controlada cap a la restricció de l'acció dels GCs al reservori espermàtic, la qual cossa no succeeix després de la inseminació artificial. Finalment, en el conill, espècie d'ovulació induïda, es va avaluar la modulació de NR3C1 al tracte reproductiu causada per la influència de la interacció mascle-femella, així com durant diferents punts temporals, que es corresponen amb esdeveniments reproductius, com l'ovulació, la fecundació i els estadis embrionaris. Es va concloure que el plasma seminal pot induir l'expressió de NR3C1 a l'infundíbul, i que la munta natural augmenta NR3C1 en un patró espai-temporal coincident amb el dels embrions. En conjunt, aquesta tesi aporta nova informació sobre la complexa regulació dels GCs a la reproducció, i la seva modulació durant els esdeveniments reproductius en diferents espècies. Una millor comprensió d'aquesta ruta pot ajudar a desxifrar els mecanismes subjacents a la influència de l'estrès en la reproducció, trobar nous biomarcadors de fertilitat, així com desenvolupar noves estratègies amb finalitats reproductives.

Las técnicas de reproducción asistida han mejorado enormemente durante las últimas décadas. Sin embargo, todavía existe un largo que camino que recorrer hasta alcanzar tasas de éxito que sean aceptables. El desarrollo de estrategias para mitigar el estrés celular in vitro, junto con una mayor comprensión de rutas de señalización implicadas en la fisiología reproductiva y la fertilidad, puede proporcionar nuevas valiosas perspectivas para el ámbito. La regulación de los glucocorticoides (GCs) puede ser una ruta de señalización candidata en este sentido. Los GCs son hormonas esteroideas que pueden inhibir la reproducción durante las respuestas a estrés, pero que son esenciales a nivel basal para importantes eventos de la fisiología reproductiva en la hembra, incluida la ovulación, la maduración ovocitaria o la implantación. El papel de los GCs en la reproducción es complejo y parece variar en función de la especie. El mecanismo involucrado en su regulación no está claro por el momento, pero muchas de sus acciones se atribuyen al receptor de GCs, NR3C1, y también a las enzimas que controlan la disponibilidad de GCs, así como a las inmunofilinas FKBP4 y FKBP5, implicadas en la regulación de las acciones de NR3C1 en el núcleo. En consecuencia, en la presente tesis se estudia el papel de la expresión génica y proteica del receptor (y otras moléculas implicadas en la regulación de GCs) en la función reproductiva, mediante la determinación de su modulación en el tracto reproductivo de la hembra durante diferentes eventos reproductivos in vivo e in vitro. En este sentido, se estudió la expresión de la regulación de GCs en células del cúmulus y ovocitos de bovino sujetos a maduración in vitro, vitrificación y suplementación con coenzima Q10 (Q10), una molécula endógena con importantes propiedades a nivel mitocondrial. Así, se demostró que la Q10 es beneficiosa para la preservación de la integridad del ovocito post-vitrificación, que ejerce un efecto positivo contra la apoptosis, y que puede influir en la regulación de los GCs en el gameto femenino. Además, se determinaron los cambios en la expresión basal relacionada con los GCs en el endometrio y la ampolla del bovino, a largo de las diferentes fases del ciclo estral. Estos cambios mostraron un patrón espaciotemporal de coincidencia con los eventos reproductivos, sugiriendo una función relevante de los GCs en el oviducto durante la fase postovulatoria. Tras este enfoque, el objetivo fue entender la influencia de la interacción macho-hembra en la expresión de la regulación de GCs, evaluando los efectos de la monta natural, la inseminación artificial y la infusión con plasma seminal en el tracto reproductivo de cerdas en fase preovulatoria. De acuerdo a nuestros resultados, la monta natural induce una regulación muy controlada para la restricción de la acción de los GCs en el reservorio espermático, la cual no sucede tras la inseminación artificial. Finalmente, en conejo, especie de ovulación inducida, se evaluó la modulación de NR3C1 en el tracto reproductivo después de la interacción macho-hembra, y durante diferentes puntos temporales, que se corresponden con eventos reproductivos como la ovulación, la fecundación y los estadios embrionarios. Se concluyó que el plasma seminal puede inducir la expresión de NR3C1 en el infundíbulo, y que la monta natural aumenta NR3C1 en un patrón espaciotemporal coincidente con el de los embriones. En conjunto, esta tesis aporta nueva información sobre la compleja regulación de los GCs en la reproducción, y su modulación durante los eventos reproductivos en diferentes especies. Una mayor comprensión de esta ruta puede ayudar a descifrar los mecanismos subyacentes a la influencia del estrés en la reproducción, encontrar nuevos biomarcadores de fertilidad, así como desarrollar nuevas estrategias con fines reproductivos.

The assisted reproduction techniques have greatly improved over the last decades. However, there is still a long way to go until acceptable success rates are achieved. Developing strategies for reducing the cellular stress in vitro, together with a better understanding of signaling pathways involved in reproductive physiology and fertility, can provide new valuable insights in the field. The regulation of glucocorticoids (GCs) can be a candidate signaling pathway in this regard. GCs are steroid hormones that can inhibit reproduction during stress responses, but are also essential at baseline levels for important events of the female reproductive physiology, including ovulation, oocyte maturation or implantation. The role of GCs in reproduction is complex and seems to be different among species. The mechanisms involved in their regulation remain unclear, but most of their actions are attributed to the GC receptor, NR3C1, to the enzymes controlling GC availability, and immunophilins FKBP4 and FKBP5, involved in the regulation of the NR3C1 actions in the nucleus. Accordingly, the present thesis studies the role of the gene and protein expression of the GC receptor —and molecules involved in GC regulation— in the reproductive function, by determining its modulation in the female reproductive tract during reproductive events in vivo and in vitro. In this regard, we studied the GC regulatory expression in bovine oocytes and cumulus during in vitro maturation, vitrification, and supplementation with coenzyme Q10 (Q10), an endogenous molecule with important mitochondrial properties. Thus, we demonstrated that Q10 is beneficial for preserving the oocyte integrity after vitrification, exerts positive effects against apoptosis, and can influence the regulation of GCs in the female gamete. Moreover, we determined the changes in GC-related expression occurring at baseline level in the bovine endometrium and ampulla across different stages of the estrous cycle. These changes showed a spatiotemporal pattern that matched with reproductive events, suggesting a relevant role of GCs in the oviduct during the postovulatory phase. After this approach, we aimed to understand the influence of the male-female interaction in the expression of the GC regulation, by assessing the effects of natural mating, artificial insemination and seminal plasma infusion in the reproductive tract of preovulatory sows. According to our results, the natural mating induces a tight regulation for the restriction of the GC actions in the sperm reservoir which is not mimicked by artificial insemination. Finally, in the rabbit, an induced-ovulation species, we evaluated the modulation of NR3C1 in the female reproductive tract caused by the influence of the male-female interactions, and during different time points, corresponding to reproductive events such as ovulation, fertilization and presumed embryo developmental stages. We concluded that seminal plasma could trigger NR3C1 expression in the infundibulum, and mating increased NR3C1 in a spatiotemporal sequence corresponding to the assumed location of rabbit embryos. Overall, this thesis provides new knowledge about the complex GC regulation in reproduction and its modulation during reproductive events in different species. A better comprehension of this pathway may help to unravel the underlying mechanisms behind the stress influence on reproduction, find novel fertility biomarkers, and develop new potential strategies with reproductive purposes.