Expression analysis of homeobox gene family in bovine pre- and post-implantative developmental stages

Abstract

Homeobox (hox) genes encode transcription factors which regulate the expression of several target genes encoding essential proteins for cell differentiation and proliferation. Thus, hox-genes have long been recognized as master regulators of the mammalian development. It was the objective of the current study to investigate the expression profile of hox-gene family members in pre- and postimplantation developmental stages of bovine embryos. For this, EST´s derived from Cdx1, Cdx2, HoxA7, HoxB6, HoxB7, HoxB9, HoxC9, HoxD1, and HoxD4 were sequenced. The quantitative real-time PCR was applied to determine the expression profiling of Cdx1, Cdx2, HoxB7, HoxB9, HoxC9, HoxD1, and HoxD4. Thus, triplicate pools (each containing 10) of immature oocytes, matured oocytes, 2-cell, 4-cell, 8-cell, 16-cell, morula and blastocysts were analysed. Moreover, transcripts were quantified in embryos of day 21, 25, 32, 39. The highest relative abundance was observed for Cdx1, Cdx2, HoxB7, HoxB9, and HoxC9 at the immature oocyte stage and expression was down regulated in the later developmental stages, except for HoxD1 and HoxD4 transcripts, which were abundant at higher level in mature oocytes. Transcripts of Cdx2, HoxB7, HoxB9, and HoxC9 were found to progressively increase after 16 cells stage until blastocyst stage. The Cdx2 transcript was found to have abundant level after implantation, which may support its potential role in embryo implantation. The relative abundance of Cdx1 was found to progressively increase at day 21, 25, 32, and 39, similarly as HoxB7. The expression profile of HoxB9 and HoxC9 genes seems to be similar after implantation, both showed the lowest relative abundance at day 25 and the highest at day 32, declining at day 39. HoxD1 and HoxD4 showed the lowest relative mRNA abundance at day 21, increasing at day 32. At day 39, HoxD1 appeared declined and HoxD4 was increased. In conclusion, the present study has shown that Hox-genes are active transcripts in bovine preimplantation and postimplantation stages, supporting their potential involvement in the early embryonic development as nuclear transcription regulators.

<strong>Expressionsanalyse der Homeobox-Genfamilie in bovinen prä- und postimplantativen Entwicklungsstadien</strong> <br /> Homeobox- (Hox-) Gene kodieren Transkriptionsfaktoren, die die Expression verschiedener essentieller Proteine kodierender Zielgene für Zelldifferentation und -proliferation regulieren. Daher gelten Hox-Gene seit langem als Hauptregulatoren der Säugetierentwicklung. Das Ziel der vorliegenden Untersuchung war die Untersuchung der Expressionsprofile von Mitgliedern der Hox-Genfamilie in prä- und postimplantativen Entwicklungsstadien boviner Embryonen. Hierzu wurden ESTs von Cdx1, Cdx2, HoxA7, HoxB6, HoxB7, HoxB9, HoxC9, HoxD1 und HoxD4 sequenziert. Mittels quantitativer real-time PCR wurden die Expressionsprofile von Cdx1, Cdx2, HoxB7, HoxB9, HoxC9, HoxD1 und HoxD4 bestimmt. Analysiert wurden Triplikatpools (mit jeweils 10) immaturer Oozyten, maturierter Oozyten, 2-Zell-, 4-Zell-, 8-Zell-, 16-Zellstadien, Morula und Blastozysten. Darüber hinaus wurden die Transkripte in den Embryonen an Tag 21, 25, 32 und 39 bestimmt. Die höchste relative Abundanz konnte für Cdx1, Cdx2, HoxB7, HoxB9 und HoxC9 im Stadium der immaturen Oozyte beobachtet werden, die Expression war in den späteren Entwicklungsstufen downreguliert für alle Transkripte, ausgenommen HoxD1 und HoxD4, die zu einem höheren Level abundant in maturen Oozyten waren. Die Transkripte von Cdx2, HoxB7, HoxB9 und HoxC9 zeigten einen progressiven Anstieg nach dem 16-Zell- bis zum Blastozystenstadium. Es wurde beobachtet, dass das Transkript von Cdx2 einen abundanten Level nach der Implantation zeigt, was die potentielle Rolle in der Embryoimplantation belegen könnte. Die relative Cdx1 Abundanz zeigte einen progressiven Anstieg an Tag 21, 25, 32 und 39, ähnlich wie HoxB7. Die Expressionsprofile von HoxB9 und HoxC9 erscheinen gleichartig nach der Implantation, beide zeigten die geringste relative Abundanz an Tag 25 und die höchste an Tag 32, mit einem Abfall an Tag 39. HoxD1 und HoxD4 wiesen die geringste relative mRNA Abundanz an Tag 21 auf, mit einem Anstieg an Tag 32. An Tag 39 zeigte sich HoxD1 erniedrigt und HoxD4 erhöht. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Hox-Gene aktive Transkripte in bovinen prä- und postimplantativen Stadien sind, was ihre potentielle Involvierung in der frühen embryonalen Entwicklungen als nukleare Transkriptionsregulatoren stützt.