Molecular genetic analysis of bovine oocytes with different developmental potentials

Abstract

Poor oocyte developmental potential contributes to reduced fertility in livestock species and hampers the application of biotechnology techniques in cattle industry that could be used for spreading certain genotypes with production advantages. However, the molecular mechanisms regulating oocyte developmental potential are generally poorly understood. Therefore, the objective of this study was to identify differentially regulated genes in oocytes with different developmental potential that could be associated with their competence. For this, oocytes were selected based on phase of follicular turnover (growth vs. dominance) and BCB staining (BCB+ vs. BCB-) as two independent models for screening of oocyte competence. For each model, six pools of oocytes were used for mRNA isolation and subsequent RNA amplification. A custom-made cDNA array with ~ 2000 clones was used to compare the gene expression profiles of competent versus incompetent oocytes of each model. The Significance Analysis of Microarray (SAM) has been used for data generation. A total of 51 and 185 genes to be differentially expressed have been identified between the oocytes derived from growth compared to dominance follicular phase and BCB+ compared to BCB- ones, respectively. Based on biological process annotation, genes involved in protein biosynthesis as structural constituent of ribosome (RPL24, ARL6IP, RPS14 and RPS15), translation elongation factor activity (EEF1A1), chromosome organization and biogenesis (H2AFZ) and signal transduction (GNB2L1) were commonly up-regulated in competent compared to incompetent oocytes of both models. On the other hand, incompetent oocytes from both models were enriched with transcripts regulating transcription (PTTG1) and growth factor activity (BMP 15). Quantitative real-time PCR has confirmed the relative abundance of 8 out of 10 and 9 out of 10 genes to be in accordance with microarray analysis for follicular phase and BCB staining models, respectively. Overall, this study provides a genome-wide expression profiling of genes that could be associated with developmental competence of bovine oocytes. However, further functional investigations based on this data could help to define the exact key regulatory genes controlling oocyte quality that could be considered as good biomarkers.

<strong>Molekulargenetische Analyse von Rinderoocyten mit unterschiedlichen Entwicklungspotentialen</strong><br /> Ein geringes Entwicklungspotential von Oozyten führt zu einer verringerten Fruchtbarkeit in der Rinderhaltung. Gleichzeitig erschwert es moderne biotechnologie Zuchtmethoden, wie z.B. Embryotransfer, die für die schnelle Verbreitung von positiven Genotypen genutzt werden können. Allerdings sind die molekularen Mechanismen, die das Oozytenentwicklungspotential regulieren, bisher nur wenig bekannt. <br /> Ziel dieser Arbeit war es demzufolge, unterschiedlich regulierte Gene in Oozyten mit unterschiedlichem Entwicklungspotential zu identifizieren, die mit der Entwicklungskompetenz der Oozyten assoziiert sein könnten. Dafür wurden Oozyten auf Grund ihres follikularen Umsatzes (Wachstum gegenüber Dominanzverhalten) (Modell 1) bzw. auf Grund von BCB Färbung (BCB+ gegen BCB-) (Modell 2), ausgewählt. Für jedes Modell wurden sechs Pools von Oocyten für die mRNA-Isolierung und RNA-Amplifikation verwendet. Ein speziell angefertigter cDNA Array mit ~ 2000 Klonen wurde genutzt, um Genexpressionsprofile von kompetenten und inkompetenten Oocyten zu vergleichen. Das Programm Significance Analysis of Microarray (SAM) wurde für die Datenauswertung herangezogen. <br /> Insgesamt konnten 51 bzw. 185 unterschiedlich exprimierte Gene für die Oozyten mit unterschiedlichem follikularem Wachstum bzw. mit unterschiedlicher BCB Färbung identifiziert werden. Für die weiteren Untersuchungen wurden Gene, die in der Proteinbiosynthese als struktureller Bestandteil des Ribosoms vorkommen (RPL24, ARL6IP, RPS14 und RPS15), ein Translations-Elongations-Faktor (EEF1A1), ein Gen für Chromosomenorganisation und Biogenese (H2AFZ), sowie ein Gen für die Signal Transduktion (GNB2L1) ausgewählt. Diese Gene waren in kompetenten Oozyten höher exprimiert als in inkompetenten Oozyten. Des weiteren wurden ein Gen für die Transkriptionsregulierung (PTTG1) sowie ein Gen für die Wachstumsfaktor Aktivität (BMP15) ausgesucht, welche wiederum in inkompetenten Oozyten hochreguliert waren. Mittels quantitativer Real-time PCR wurde die relative Abundanz aus der Microarray Analyse bei acht von zehn Genen (Modell 1) bzw. neun von zehn Genen (Modell 2) bestätigt. <br /> Insgesamt beschreibt diese Arbeit ein genomweites Expressionsprofil von Genen, die mit der Entwicklungskompetenz von Rinderoozyten assoziiert werden können. Darüber hinaus könnten weitere funktionelle Analysen, basierend auf unseren Ergebnissen, helfen, die exakten regulierenden Schlüsselgene zu finden, welche die Oozytenqualität steuern, und die zukünftig als Biomarker verwendet werden könnten.