Transcriptome profiling of bovine blastocysts developed under alternative culture conditions during specific stages of development

Abstract

The aim of this study was to determine the influences of different environmental conditions during specific stages of early bovine embryos on the transcriptome profile of produced blastocysts and subsequent effects on molecular mechanisms and pathways controlling embryo development. Using the advent of transvaginal endoscopy-mediated technology, different bovine blastocyst groups were produced under alternative culture conditions. In the first experiment, transcriptome analysis was performed between day 7 blastocysts which were developed either in superovulated heifers (High P4) or in unstimulated recipients (Normal P4) from day 2 onward using Affymetrix GeneChip Bovine Genome Array. In the second experiment, four different blastocyst groups were produced under alternative in vivo and in vitro culture conditions before or after major embryonic genome activation (EGA) stage. Completely in vitro and in vivo produced blastocysts were used as contrasts. Transcriptome profile of each blastocyst group has been compared to in vivo control group using EmbryoGENE’s bovine microarray. Abnormal environmental conditions either in vivo or in vitro showed a dramatic effect on the transcriptome profiles of produced blastocysts. A total of 454 genes were differentially regulated between blastocysts derived from superovulated animals and those which cultured in unstimulated recipients from day 2. Blastocysts which developed under high P4 conditions due to superovulation treatment showed higher cellular and metabolic activities, as genes involved in the oxidative phosphorylation pathway and different metabolic processes, in addition to genes expressed in response to stress, were highly expressed compared to embryos which developed in the oviduct of unstimulated animals. In vitro culture conditions during EGA stage have critically influenced gene expression patterns, irrespective to embryo origin. Compared to complete in vivo group, blastocyst groups which spent EGA stage under in vitro conditions showed higher number of differentially regulated genes than those which spent EGA stage under in vivo conditions. Ontological classification showed a clear contrast in expression patterns for lipid metabolism and oxidative stress between blastocysts generated in vivo <em>vs</em>. in vitro, with opposite trends. These results will help for future efforts to modify culture conditions at the critical stages of development which will allow more efficient production of developmentally competent blastocysts.

<strong>Transkriptionsprofile boviner Blastozysten unter alternativen Kulturbedingungen während den spezifischen Entwicklungsstufen</strong><br /> Ziel dieser Studie war es, den Einfluss verschiedener Umweltbedingungen auf die frühe Embryogenese zu untersuchen. Transkriptionsprofile wurden von den erzeugten Blastozysten erstellt, um die Effekte verschiedener Umweltbedingungen auf molekularer Mechanismen und Pathways im Bezug auf die embryonale Entwicklung zu erfassen. Durch die Anwendung transvaginaler Endoskopietechniken, konnten unterschiedliche bovine Blastozysten Gruppen unter verschiedenen Kulturbedingungen erzeugt werden. Im ersten Experiment wurden Tag 7 Blastozysten zum einen in superovulierenden Färse (High-P4) oder zum anderen ab Tag 2 in unstimmulierten Rezipienten (Normal-P4) entwickelt. Das Transkriptionsprofil der Blastozysten wurde mittels des Affymetrix GeneChip Bovine Genome Array untersucht. In einem zweiten Experiment wurden vier alternativen Blastozystengruppen, sowohl vor als auch nach der zentralen embryonalen Genom Aktivierung (EGA), unter verschiedenen <em>in vivo </em>und<em> in vitro</em> Kulturbedingungen erzeugt. Als Kontrolle wurden gänzlich <em>in vivo </em>oder<em> in vitro</em> erzeugte Blastozysten verwendet. Transkriptionsprofile jeder Blastozystengruppe wurden mittels des bovinen EmbryoGENE Mikroarrays erstellt und mit der <em>in vivo</em> Kontrollgruppe verglichen. Abnormale Umweltbedingen zeigten einen dramatischen Einfluss auf das Transkriptionsprofil der erzeugten Blastozysten. Ingesamt waren 454 Gene unterschiedlich reguliert bei dem Vergleich von Blastozysten aus superovolierten Tieren und Blastozysten kultiviert ab Tag 2 in unstimmulierten Rezipienten. Blastozysten, die unter High-P4 Bedingungen auf Grund der Superovulation entwickelten, zeigten höhere zelluläre und metabolische Aktivitäten von Gene, die am Pathway der oxidativer Phosphorylierung und verschiedener metabolischer Prozesse beteiligt waren. In dieser Gruppe waren im Vergleich zur Gruppe der unstimmulierten Rezipienten, Gene der Stressantwort sehr hoch exprimiert. In vitro Bedingungen während der EGA haben einen kritischen Einfluss auf die Genexpressionsmuster, ungeachtet der Embryoherkunft. Im Vergleich zur gänzlich <em>in vivo</em> Gruppe, zeigten Blastozystengruppen, die während dem EGA Stadium unter in vitro Bedingungen verbrachten, deutlich mehr unterschiedliche regulierte Gene als auch die Gruppen, die das EGA Stadium unter <em>in vivo</em> Bedingungen waren. Ontologische Klassifizierungen zeigten deutliche Unterschiede in den Genexpressionsmustern des Lipidmetabolismus und des oxidativen Stresses zwischen <em>in vivo </em>und<em> in vitro</em> erzeugten Blastozysten. Diese Ergebnisse werden zukünftige Bestrebungen von modifizierten Kulturbedingungen während den kritischen Stadien der embryonalen Entwicklung fördern, welches zu einer effizienteren Erzeugung entwicklungskompetenter Blastozysten beiträgt.