It takes two to tango: Transcriptome remodelling and mitochondrial metabolism during oocyte's meiotic maturation

Abstract

La maduració meiòtica és un procés altament regulat, clau per produir oòcits competents i, en conseqüència, un correcte desenvolupament embrionari després de la fecundació. S'han realitzat diversos estudis per entendre els mecanismes biològics que impulsen la maduració dels oòcits, amb un fort interès pel transcriptoma i el metabolisme mitocondrial. No obstant això, el paper exacte d'aquests elements durant la maduració dels oòcits i el seu vincle amb una progressió reeixida de la meiosi encara és incert. Aquesta tesi tenia com a objectiu, en primer lloc, entendre el paper de la remodelació del transcriptoma i el metabolisme mitocondrial durant la maduració meiòtica final dels oòcits humans i després, aclarir l'efecte de l'envelliment en aquests mecanismes. En el primer estudi, l'objectiu va ser dilucidar el transcriptoma dels oòcits sotmesos a la maduració meiòtica final mitjançant la -single cell RNA sequencing-. L'avaluació dels oòcits de dones joves va revelar una remodelació abundant del transcriptoma, tant en l'expressió gènica global com en el processament específic de l'mRNA, necessària per a la progressió de la meiosi. Curiosament, vam trobar perfils similars entre oòcits madurats in vitro i in vivo, i vam revelar que els oòcits en estadi de vesícula germinal (GV) que no van madurar in vitro tenien un perfil transcripcional similar al dels oòcits GV en el moment de la seva recuperació. En el segon estudi, es va voler definir un model animal per estudiar la disminució de la qualitat dels oòcits associada a l'envelliment. Vam identificar, mitjançant la -single cell RNA sequencing-, el fracàs de remodelar el transcriptoma com una possible causa de la deterioració de la qualitat dels oòcits en un model boví d'insuficiència ovàrica prematura. En l'estudi final, ens vam centrar en la identificació de la dinàmica mitocondrial al llarg de la maduració meiòtica dels oòcits i en els canvis induïts per l'envelliment. Vam trobar que els mitocondris es trobaven distribuïts per tot el citoplasma, però que els mitocondris actius es localitzaven específicament a la zona subcortical de l'oòcit. A més, vam observar una reorganització dinàmica dels mitocondris durant la maduració. Aquestes distribucions es van confirmar amb diverses tècniques, tant indirectes, com la immunofluorescència, com directes, com la tinció amb colorants vitals o la imatge en viu no invasiva. Vam observar que els oòcits en maduració necessiten un augment del metabolisme mitocondrial per arribar a la metafase II i que els oòcits de dones joves tenen un perfil metabòlic similar durant la maduració, mentre que els oòcits de les dones d'edat materna avançada (AMA) presenten oscil·lacions metabòliques més altes. La comparació entre oòcits joves i AMA va identificar una menor activitat mitocondrial i un metabolisme mitocondrial més baix en els oòcits AMA, concordant amb una capacitat reduïda d'aquests oòcits per assolir amb èxit la maduració meiòtica in vitro, en comparació amb els oòcits de dones joves. Finalment, un experiment de pèrdua de funció en oòcits joves amb un inhibidor mitocondrial va relacionar un metabolisme mitocondrial deficient amb la disminució de la capacitat de madurar, cosa que suggereix un paper clau del rang correcte del metabolisme al llarg de la meiosi. En resum, la present tesi ha analitzat la remodelació del transcriptoma i el metabolisme mitocondrial durant la maduració meiòtica dels oòcits humans i ha dilucidat els canvis en aquests elements que poden afectar la qualitat dels oòcits, la progressió meiòtica i, en definitiva, la competència dels oòcits.

La maduración meiótica es un proceso altamente regulado, clave para producir ovocitos competentes y, en consecuencia, un desarrollo embrionario exitoso tras la fecundación. Se han realizado varios estudios para comprender los mecanismos biológicos que impulsan la maduración oocitaria, con un gran interés por el transcriptoma y el metabolismo mitocondrial. Sin embargo, el papel exacto de estos elementos durante la maduración del ovocito y su relación con una progresión exitosa de la meiosis sigue siendo esquivo. El objetivo de esta tesis fue, en primer lugar, comprender el papel de la remodelación del transcriptoma y el metabolismo mitocondrial durante la maduración meiótica final de los ovocitos humanos y, a continuación, aclarar el efecto del envejecimiento sobre estos mecanismos. En el primer estudio, nos propusimos dilucidar el transcriptoma de los ovocitos sometidos a maduración meiótica final mediante -8220;single cell RNA sequencing-. La evaluación de ovocitos de mujeres jóvenes reveló una extensa remodelación del transcriptoma, tanto en la expresión génica global como en el procesamiento específico de mRNA, necesaria para la progresión de la meiosis. Curiosamente, encontramos perfiles similares entre los ovocitos madurados in vitro e in vivo, y revelamos que los ovocitos en vesícula germinal (GV) que no maduraron in vitro tenían un perfil transcripcional similar al de los ovocitos GV en el momento de la recuperación. En el segundo estudio, nos propusimos definir un modelo animal para estudiar la disminución de la calidad ovocitaria asociada al envejecimiento. Identificamos, mediante -single cell RNA sequencing-, el fallo en la remodelación del transcriptoma como posible causa del deterioro de la calidad ovocitaria en un modelo vacuno de insuficiencia ovárica prematura. En el estudio final, nos centramos en la identificación de la dinámica mitocondrial a lo largo de la maduración meiótica del ovocito y en los cambios inducidos por el envejecimiento. Encontramos que las mitocondrias se distribuían por todo el citoplasma, pero que las mitocondrias activas se localizaban específicamente en la zona subcortical del ovocito. Además, observamos una reorganización dinámica de las mitocondrias a lo largo de la maduración. Estas distribuciones se confirmaron con varias técnicas, tanto indirectas, como inmunofluorescencia, como directas, como tinción con colorantes vivos o imagen en vivo no invasiva. Observamos que los ovocitos en proceso de maduración necesitan un aumento del metabolismo mitocondrial para alcanzar el estadio de metafase II y que los ovocitos de mujeres jóvenes tienen un perfil metabólico similar durante la maduración, mientras que los ovocitos de mujeres de edad materna avanzada (AMA) presentan mayores oscilaciones del perfil metabólicos. La comparación entre ovocitos jóvenes y AMA identificó una menor actividad mitocondrial y un menor metabolismo mitocondrial en los ovocitos AMA, concordante con una menor capacidad de estos ovocitos para llevar a cabo con éxito la maduración meiótica in vitro, en comparación con los jóvenes. Por último, un experimento de pérdida de función en ovocitos jóvenes con un inhibidor mitocondrial relacionó un metabolismo mitocondrial deficiente con la disminución de la capacidad de maduración, lo que sugiere un papel clave del rango correcto de metabolismo durante la meiosis. En conjunto, la presente tesis ha diseccionado la remodelación del transcriptoma y el metabolismo mitocondrial durante la maduración meiótica de ovocitos humanos, y ha dilucidado los cambios en estos elementos que pueden afectar a la calidad ovocitaria, la progresión meiótica y, en última instancia, la competencia ovocitaria.

Meiotic maturation is a highly regulated process, key to produce competent oocytes and, consequently, successful embryo development after fertilization. Several studies have been conducted to understand the biological mechanisms driving oocyte maturation, with a strong interest for the transcriptome and mitochondrial metabolism. However, the exact role of these elements during oocyte maturation and their link with a successful meiosis progression still remains elusive. This thesis was aimed, first, at understanding the role of transcriptome remodelling and mitochondrial metabolism during final meiotic maturation of human oocytes and then, to clarify the effect of aging on these mechanisms. In the first study, we aimed at elucidating the transcriptome of oocytes undergoing final meiotic maturation using single cell RNA-sequencing. The evaluation of oocytes from young women revealed abundant transcriptome remodelling, both in global gene expression and in specific mRNA processing, needed for meiosis progression. Interestingly, we found similar profiles between in vitro and in vivo matured oocytes, and we revealed that germinal vesicle (GV) oocytes that failed to mature in vitro had a similar transcriptional profile to GV oocytes at retrieval. In the second study, we aimed at defining an animal model to study the decrease in oocyte quality associate with aging. We identified, by single cell RNA-sequencing, the failure to remodel the transcriptome as a possible cause of oocyte quality decay in a cow model of premature ovarian insufficiency. In the final study, we focused on the identification of mitochondrial dynamics through oocyte’s meiotic maturation and on changes induced by aging. We found mitochondria were distributed throughout the whole cytoplasm, but that active mitochondria specifically localized to the subcortical area of the oocyte. Moreover, we observed a dynamic reorganization of mitochondria through maturation. These distributions were confirmed with several techniques, both indirect, as immunofluorescence, and direct ones, as live dyes staining or non-invasive live imaging. We found that maturing oocytes need an increase in mitochondrial metabolism to reach the metaphase II stage and that oocytes from young women have a similar metabolic profile during maturation, while oocytes from advanced maternal age (AMA) women present higher metabolic oscillations. The comparison between young and AMA oocytes identified lower mitochondrial activity and lower mitochondrial metabolism in AMA oocytes, concordant with a reduced ability of these oocytes to successfully accomplish meiotic maturation in vitro, compared to the young ones. Finally, a loss of function experiment in young oocytes with a mitochondrial inhibitor linked a poor mitochondrial metabolism with the decreased ability to mature, suggesting a key role of the correct range of metabolism through meiosis. Overall, the present thesis has dissected transcriptome remodelling and mitochondrial metabolism during meiotic maturation of human oocytes, and elucidated the changes on these elements that can affect oocyte quality, meiotic progression and, ultimately, oocyte competence.