Bovine pre-transfer endometrium and embryo transcriptome fingerprints as predictors of pregnancy success after embryo transfer

Abstract

Aberrant endometrial and embryonic gene expression is one of the causes of pregnancy failure in cattle. However, selecting cows with adequate endometrial receptivity and embryos of higher developmental competence based on the gene expression pattern has been a greater challenge. To investigate whether the pre-transfer endometrial and embryonic gene expression pattern has a direct relation with upcoming pregnancy success, a global endometrial and embryonic transcriptome analysis was carried out in endometrial and embryo biopsy samples using GeneChip® Bovine Genome Array and preimplantation specific cDNA array, respectively. For this, endometrium biopsies were taken at days 7 and 14 of the estrous cycle in Simmental heifers during the pre-transfer period. In the next cycle, in vivo produced day 7 blastocysts were transferred to the recipients at day 7 of the estrous cycle after taking 30-40% parts of the blastocyst as a biopsy for transcriptome analysis. After pregnancy diagnosis, the heifers were classified as calf delivery (receptive endometrium) and no pregnancy (non-receptive endometrium) groups. Subsequently, the endometrial biopsies (taken at days 7 and 14 of the estrous cycle) and the embryo biopsies were categorized as calf delivery or no pregnancy groups. The results revealed 1126 genes were differentially expressed between receptive and non-receptive endometrium at day 7 of the estrous cycle. These differences were accompanied by qualitative and quantitative alteration of major biological process and molecular pathways including cellular localization, post-transcriptional modification, signal transduction, apoptosis, cell cycle and immune response. However, only 14 genes were differentially expressed between receptive and non-receptive endometrium at day 14 of the estrous cycle. Furthermore, the transcriptome dynamics of receptive and non-receptive endometrium between day 7 and 14 of the estrous cycle revealed 1867 and 254 differentially expressed genes, respectively. The higher number of differentially expressed genes and functional categories between day 7 and 14 of the estrous cycle in receptive compared to non-receptive endometrium revealed the transcriptome plasticity of receptive endometrium. In addition, the gene expression profile in embryos biopsies resulted in calf delivery and those resulted in no pregnancy revealed 70 genes to be differentially expressed between the two embryo groups. Among those, 32 genes including SPAG17, PF6, UBE2D3P, DFNB31, AMD1, DTNBP1 and ARL8B were elevated in calf delivery groups and 38 genes including SGK1, GBF1, KRT8, DTX2, RNF34, ARL8B, RYBP and EEF1 were elevated in no pregnancy embryo groups. Therefore, the present study highlights the potential of pre-transfer endometrial and embryonic gene expression patterns as predictors of pregnancy success in cattle.

<strong>Genexprssionsprofile von vor dem Transfer biopsierten bovinen Endometrien und Embryonen als Prädikator für den Trächtigkeitserfolg beim Rind</strong><br /> Abweichende Genexpressionen sowohl des Embryos als auch des Endometriums sind ein Grund für verminderte Trächtigkeitsraten nach dem Embryotransfer beim Rind. Die Selektion der Embryonen einerseits und der Empfängertiere an Hand des Endometriums andererseits basierend auf den Genexpressionsmustern, stellt eine große Herausforderung dar. Um herauszufinden, ob Korrelationen zwischen der Genexpression des Endometriums vor dem Transfer und der des Embryos auf der einen Seite und einer erfolgreichen Trächtigkeit auf der anderen Seite, vorliegen, wurde eine globale Transkriptionsanalyse der Biopsien des Endometriums und des Embryos mittels des GeneChip® Bovine Genome Array und einem präimplantations spezifischen cDNA Arrays durchgeführt. Die Biopsieproben des Endometriums wurden an Tag 7 und Tag 14 des Vorzykluses der Versuchstiere (Simmental Färsen) genommen. Des Weitern wurden in vivo Blastozysten am Tag 7 gespült, eine Biopsieprobe genommen (ca. 30-40%) und die Embryonen auf die Empfängertiere übertragen. Diese Biopsieproben wurden nach der Trächtigkeitsuntersuchung den Gruppen der trächtigen Färsen (rezeptives Endometrium) und der nicht-trächtigen Färsen (nicht-rezeptives Endometrium) zugeordnet. Insgesamt wurden 1126 unterschiedlich exprimierte Gene zwischen den rezeptiven und nichtrezeptiven Endometrien an Tag 7 detektiert. Des Weiteren zeigten sich qualitative und quantitative Veränderungen in bedeutenden biologischen Prozessen und molekularen Pathways, wie in der zellulären Anordnung, posttranskriptionalen Modifikation, Signaltransduktion, Apoptose, im Zellzyklus und in der Imunantwort. Konträr zu diesen Ergebnissen waren an Tag 14 nur 14 Gene zwischen den Endometrien unterschiedlich reguliert. Im Bereich der Transkriptionsdynamik waren zwischen den Gruppen an Tag 7 1867 Gene und am Tag 14 254 Gene unterschiedlich exprimiert. Diese relativ große Anzahl unterschiedlich regulierter Gene zeigt die Transkriptomplastizität des rezeptiven Endometriums. Zwischen den Biopsieproben der Embryonen, die zu einer Trächtigkeit führten und denen die keine Trächtigkeit induzierten zeigten 70 Gene eine unterschiedliche Expression. In der ersten Gruppe wurden 32 Gene, darunter SPAG17, PF6, UBE2D3P, DFNB31, AMD1, DTNBP1 und ARL8B expremiert und in der zweiten Gruppe 38 Gene darunter SGK1, GBF1, KRT8, DTX2, RNF34, ARL8B, RYBP und EEF1. Die vorliegende Arbeit zeigt demzufolge, dass das Genexpressionsprofil des Endometriums und der Embryonen vor dem Transfer als Vorhersage für den Trächtigkeitserfolg dienen kann.