Deciphering the embryo-maternal interactome: Embryo-dependent programming of endometrial function during early pregnancy in cattle

RESUMO

Resumo O sucesso gestacional depende do programa embrionário intrínseco, operando em conjunto com fatores extrínsecos que emanam do trato reprodutivo materno, bem como de uma coordenada interação entre as unidades materna e embrionária. Atualmente, o conhecimento sobre a programação do funcionamento do endométrio dependente do embrião pré-elongado é limitado. A hipótese central desta tese é que embriões bovinos são capazes de modular a função endometrial no dia 7 após o estro. No primeiro estudo, regiões espacialmente definidas do transcriptoma endometrial foram interrogadas quanto a respostas a um embrião no dia 7 in vivo. Amostras de endométrio foram coletadas da junção útero-tubárica, região anterior, medial e posterior do corno uterino ipsilateral ao corpo lúteo 7 dias após o estro de vacas Nelore artificialmente inseminadas e confirmadas gestantes, ou de vacas em que a inseminação foi mimetizada. A abundância de 12 dos 87 transcritos analisados foi modulada no endométrio de animais gestantes, incluindo genes estimulados por interferon (ISGs) e genes associados à biossíntese de eicosanoides. As alterações foram predominantemente nas porções mais craniais do corno uterino, onde o embrião estava localizado. Além disso, a abundância de 71 transcritos variou de acordo com a região do trato reprodutivo, independentemente da presença do embrião. Quantificação baseada em espectrometria de massa de 205 metabólitos no fluido luminal uterino (ULF) recuperado da porção mais cranial do corno uterino ipsilateral mostrou que a exposição ao embrião altera a composição do ULF no dia 7 in vivo. Modulações induzidas pelo embrião incluem aumento nas concentrações de metabólitos derivados da via das lipoxigenases e diminuição nas concentrações de aminoácidos, aminas biogênicas, acilcarnitinas e fosfolipídios. Alterações na composição do ULF podem ser devido à secreção ou depleção de moléculas específicas, executadas pelo embrião ou pelo endométrio, mas iniciadas por sinais provenientes do embrião. No segundo estudo, um modelo in vitro foi usado para estudar as alterações induzidas por embriões no transcriptoma de células epiteliais endometriais bovinas (BEEC) e investigar modos de comunicação molecular entre tecidos. Mórulas produzidas in vitro foram co-cultivadas em justaposição ou sem contato direto com BEECs. Grupos de BEECs ou embriões sozinhos foram cultivados como controles. Independentemente da justaposição à monocamada, o co-cultivo com BEECs melhorou as taxas de blastocistos no dia 7,5. A proximidade física entre embriões e a monocamada de células, no entanto, alterou a natureza e a intensidade das alterações induzidas pelos embriões no transcriptoma das células endometriais. Embriões justapostos modularam a transcrição de 1.797 versus 230 genes em BEECs não contactando diretamente os embriões, quando comparadas às células cultivadas na ausência de embriões. Vias moduladas pela presença de embriões incluíram resposta imune mediada por interferon, regulação do ciclo celular e apoptose, sinalização via prolactina e biossíntese de prostanoides. Coletivamente, a partir dos resultados obtidos nesta tese, concluímos que embriões bovinos pré-elongamento são capazes de modular a função endometrial. A presente tese fornece vias candidatas que parecem ser importantes para o condicionamento do ambiente uterino para o desenvolvimento do concepto. A sinalização embrionária precoce pode ser necessária para garantir o desenvolvimento ideal e o estabelecimento da gestação em bovinos.

ABSTRACT

Abstract A successful pregnancy is dependent on the intrinsic embryonic program, operating in conjunction with extrinsic signals emanating from the maternal reproductive tract, as well as on a coordinated interaction between the embryonic and the maternal units. Current knowledge about the pre-elongation embryo-dependent programming of endometrial function in cattle is limited. Central hypothesis is that bovine embryos are able to modulate the endometrial function as early as day 7 after estrus. In the first study, spatially defined regions of the endometrium transcriptome were interrogated for responses to a day 7 embryo in vivo. Endometrial samples were collected from the uterotubal junction, anterior, medial and posterior regions of the uterine horn ipsilateral to the corpus luteum 7 days after estrus from sham-inseminated or artificially inseminated, confirmed pregnant Nellore cows. Abundance of 12 out of 87 transcripts analyzed was modulated in the pregnant endometrium, including classic interferon-induced genes and transcripts associated to eicosanoid biosynthesis. Changes were predominantly in the most cranial portion of the uterine horn, where the embryos were located. In addition, abundance of 71 transcripts varied according to region of the reproductive tract, irrespective to the pregnancy status. Targeted mass spectrometry-based quantification of 205 metabolites in the uterine luminal fluid (ULF) recovered from the most cranial portion of the ipsilateral uterine horn showed that exposure to a day-7 embryo changes ULF composition in vivo. Embryo-induced modulation included an increase in concentrations of lipoxygenase-derived metabolites and a decrease in concentrations of amino acids, biogenic amines, acylcarnitines and phospholipids. The changed composition of the ULF could be due to secretion or depletion of specific molecules, executed by either the embryo or the endometrium, but initiated by signals coming from the embryo. In the second study, an in vitro model was used to probe embryo-induced changes on bovine endometrial epithelial cells (BEECs) transcriptome and investigate modes of inter-tissues molecular communication. In vitro-produced morulae were co-cultured in juxtaposition or without a direct contact with a BEEC monolayer. Extra groups of BEECs or embryos alone were cultured as controls. Irrespective of juxtaposition to the cell monolayer, co-culture with BEECs improved blastocyst rates on day 7.5. Physical proximity between embryos and the BEEC monolayer, nevertheless, did alter nature and intensity of embryo-induced changes on BEEC transcriptome. Embryos juxtapositioned modulated transcription of 1,797 versus 230 genes in BEECs not contacting embryos directly, in relation to cells cultured in the absence of embryos. Pathways modulated by presence of embryos included interferon-mediated immune responses, cell cycle regulation and apoptosis, prolactin signaling, and prostanoid biosynthesis. Overall, from the results obtained in the course of this thesis, we conclude that peri-hatching bovine embryos modulate the endometrial function. Herein, we provide candidate systems that might be important for conditioning the uterine environment for conceptus development. Early embryonic signaling might be necessary to guarantee optimal development and successful establishment of pregnancy in cattle.