Association and expression study of CD9, PLCz and COX-2 as candidate genes to improve boar sperm quality and fertility traits

Abstract

The transcription factors tetraspanin CD9 (CD9), phospholipase C zeta (PLCz) and cyclooxygenase isoenzyme type 2 (COX-2) are believed to play a key role in spermatogenesis in rat, mouse and human. However, no study was devoted to associate the single nucleotide polymorphism (SNP) and expression pattern of three genes with sperm quality and fertility traits in boars. Therefore, this study aimed to investigate the polymorphism and expressional pattern of these genes with boar sperm quality and fertility. The association of SNP with sperm quality traits (sperm concentration [SCON], semen volume per ejaculate [VOL], sperm motility [MOT], plasma droplets rate [PDR] and abnormal spermatozoa rate [ASR]) and the fertility traits (non return rate [NRR] and number of piglet born alive [NBA]) were analyzed using 231 of purebred Pietrain (PI) boars, 109 of Pietrain × Hampshire crossbred (PIHA) boars and 340 of the combined analysis from PI and PIHA boars (COMBINED). In addition, to study the mRNA and protein expression pattern of those genes in boar reproductive and non reproductive tissue, three boars having higher sperm concentration, sperm motility and lower sperm volume (G-I groups) and three boars having lower sperm concentration, sperm motility, and higher sperm volume (G-II groups) were selected. The result showed that the SNP in intron 6 (A>T) of CD9 was significantly associated with MOT (p < 0.05) and PDR (p < 0.05) in all groups and only with ASR (p < 0.01) in the PIHA group and the COMBINED group. Moreover, the SNP in intron 1 (A>C) of PLCz was associated with SCON (p < 0.05) in the PIHA group. However, the SNP in intron 9 (G>A) of COX-2 showed no association with sperm quality and fertility traits. In addition, the mRNA and protein expression of the CD9, PLCz and COX-2 were found to be different between reproductive tissues and non reproductive tissues of boars. Elevated CD9, PLCz and COX-2 proteins expression were found in Leydig cells, Sertoli cells, epithelial cells, germ cells and the acrosome and acrosomal membrane of mature spermatozoa. Importantly, higher CD9 and PLCz mRNA (p < 0.05) was found in body of epididymis and testis in G-I compared to G-II boars. However, the expression of COX-2 in testis, head and body of epididymis was higher (p < 0.05) in G-II compared to G-I boars. Therefore, the present study may indicate that the CD9, PLCz and COX-2 genes are involved in the spermatogenesis of male pig.

<strong>Assosiations- und Expressionsstudie der Kandidatengene CD9, PLCz und COX-2 zur Untersuchung ihres Effektes auf die Spermaqualität von Ebern und Fruchtbarkeitsmerkmake</strong><br /> In Studien über Ratten, Mäuse und Menschen spielen die Transkriptionsfaktoren Tetraspanin CD9 (CD9), Phospholipase C zeta (PLCz) und Cyclooxygenase-Isoenzym Typ 2 (COX-2) eine wichtige Rolle in der Spermatogenese. Daher war das Ziel dieser Studie die Identifizierung von Polymorphismen und die Erstellung von Expressionsmuster dieser Gene für die Spermaqualität und Fruchtbarkeit, zu untersuchen. Die Assoziationanalysen der SNP mit Spermienqualitätsmerkmalen (Spermienkonzentration [SCON], Spermavolumen pro Ejakulat [VOL], Spermienmotilität [MOT], Plasmatröpfchenrate [PDR] sowie abnormale Spermienrate [ASR]) und den Fruchtbarkeitsmerkmalen (Non Return Rate [NRR] und Anzahl der Ferkel lebend geboren [NBA]) wurde mit 231 Tieren reinrassiger Pietrain (PI) Eber, 109 Tieren einer Pietrain × Hampshire Kreuzung (PIHA) und 340 Eber, die für die Analyse aus PI und PIHA (COMBINED) Ebern kombiniert wurden, durchgeführt. Darüber hinaus wurden die mRNA und Proteinexpressionsmuster. Dafür wurden Eber mit einer höheren Spermienkonzentration, Spermienmotilität und einem niedrigerem Spermienvolumen (G-I Gruppen) und Ebern mit einer geringeren Spermienkonzentration, Spermienmotilität und einem höheren Spermienvolumen (G-II Gruppen) ausgewählt. Das Ergebnis zeigte, dass der SNP im Intron 6 (A>T) von CD9 mit MOT (p < 0,05) und PDR (p <0,05) in allen drei Gruppen signifikant assoziiert war aber nur signifikant mit ASR (p < 0,01) in der PIHA und in der COMBINED. Außerdem zeigte der SNP im Intron 1 (A>C) von PLCz mit SCON (p < 0,05) in der PIHA eine Assoziation. Der SNP im Intron 9 (G>A) von COX-2 zeigte keine Assoziation mit der Spermaqualität und den Fruchtbarkeitsmerkmalen. Eine erhöhte CD9, PLCz und COX-2 Proteineexpression konnte in Leydig-Zellen, Sertoli-Zellen, Epithelzellen, Keimzellen und im Akrosom und in der akrosomalen Membran reifer Spermien gefunden werden. Eine höhere CD9 und PLCz mRNA Expression (p < 0,05) wurden in Nebenhoden und Hoden in G-I im Vergleich zu G-II Ebern gefunden. Jedoch war die Expression von COX-2 im Hoden, Kopf und Nebenhodens in G-II (p < 0,05) höher als in G-I Ebern. Daher kann die vorliegende Studie zeigen, dass die Gene CD9, PLCz und COX-2 an der Spermatogenese von Ebern beteiligt sind.