NRF2 mediated oxidative stress response activity during early in vitro bovine embryo development

Abstract

Overcoming oxidative stress is one of the various embryo challenges to survive under suboptimal conditions during in vitro production of bovine embryos. Thus, the present study aimed to examine the ability of preimplantation bovine embryos to activate nuclear factor erythroid-derived 2-like 2 (NFE2L2 or NRF2)-mediated oxidative stress response and trigger their survival under oxidative stress conditions. An in vitro model was used to culture embryos under low (5%) oxygen tension as in bovine oviduct or high oxygen tension (20%), which is widely used in vitro culture of embryos. Early stage embryos including 2-, 4-, 8-, 16-cell and blastocyst stage embryos were generated under low (5%) or high (20%) oxygen level culture conditions. NRF2, NRF2 cytoplasmic inhibitor (KEAP1) and selected NRF2 target antioxidant genes expression were measured in each stage using quantitative real time PCR (qPCR). Reactive oxygen species (ROS) were evaluated in the blastocysts using green fluorescent probe. Our results revealed that the ROS level was high under 20 % compared to 5 % oxygen level in blastocysts. The transcription level of NRF2 and its downstream antioxidant genes was dramatically increased in 8-, 16-cell and blastocyst stage embryos under high compared to low oxygen level, while NRF2 inhibitor showed opposite expression pattern. In order to know whether NRF2 activity is associated with the embryo developmental competence, consequently NRF2 activity was compared in developmentally competent versus incompetent embryos. For this, the mRNA and protein expressions of NRF2 and the transcription level of its downstream antioxidant genes were compared in early (competent) vs. late (incompetent) cleaving 2-cell and blastocyst stage embryos. In the early developing blastocysts accompanied by low ROS level, NRF2 and its antioxidant target genes expression were increased. Likewise, protein expression pattern was observed in similar manner with more active nuclear NRF2. In conclusion, this study demonstrated that under oxidative stress conditions, pre-implantation bovine embryos are able to activate the NRF2-mediated oxidative stress response pathway, which is found to be correlated with their survival under in vitro condition.

<strong>NRF2 vermittelte oxidative Stressreaktion während der frühen bovinen in vitro Embryoentwicklung</strong><br /> Für bovine Embryonen ist das Überwinden von oxidativem Stress eine wichtige Herausforderung um in suboptimalen in vitro Entwicklungsbedingungen überleben zu können. Das Ziel dieser Studie war es, die Reaktionsfähigkeit und Überlebensfähigkeit von pre-implantierten bovinen Embryonen auf den durch den nuclear factor erythroidderived 2-like 2 (NFE2L2 oder NRF2)-vermittelten oxidativen Stress zu untersuchen. Für diese Studie wurde ein in vitro Kulturmodell mit unterschiedlicher Sauerstoffkonzentration (5%, 20%) etabliert. Dabei ähnelte die niedrige Sauerstofftension (5%) der im bovinen Eileiter und die höhere (20%) der die normalerweise zur in vitro Kultur von Embryonen benutzt wird. Frühe embryonal Stadien, 2-, 4-, 8-, 16-Zell- und Blastozystenstadien wurden unter geringen (5%) oder hohen (20%) Sauerstoffkonzentrationen kultiviert. Anschließend wurden die Genexpressionen von NRF2, NRF2 cytoplasmic inhibitor (KEAP1) und ausgewählten NRF2 Antioxidans-Zielgenen in den verschieden Stadien mittels quantitative real time PCR (qPCR) analysiert. Reactive oxygen species (ROS) wurden in Blastozyten mittels green fluorescent probe untersucht. Das Ergebnis zeigte, dass der ROS Spiegel in Blastozysten bei einer Sauerstofftension von 20% höher war im Vergleich zu der 5% Gruppe. Die Expression von NRF2 und seinen nachgeschalteten Antioxidans-Genen war unter einem hohen Sauerstoffspiegel im Vergleich zu einem niedrigeren in 8-, 16- Zell- und Blastozytenstadien dramatisch erhöht. Demgegenüber zeigte NRF2 Inhibition ein gegenteiliges Expressionsmuster. Um festzustellen, ob die NRF2 Aktivität mit der Embryoentwicklungsfähigkeit zusammen hängt, wurde die NRF2 Aktivität im Vergleich von entwicklungsfähigen zu nicht entwicklungsfähigen Embryonen untersucht. Dafür wurden die NRF2 mRNA- und Proteinexpressionen und die der Antioxidans-Gene im Vergleich von früh (kompetent) zu spät (inkompetent) entwickelten 2-Zell- und Blastozytenstadien analysiert. Die Genexpression von NRF2 und deren Antioxidans-Zielgenen war in früh entwickelten Blastozyten bei einem geringen ROS Spiegel erhöht. Ein ähnliches Bild zeigte sich für die Proteinexpression mit einem größeren aktiven Anteil an nuklearem NRF2. Schlussendlich zeigte diese Studie, dass unter oxidativen Stress pre-implantiere bovine Embryonen in der Lage sind den NRF2-vermittelten oxidativen Stressreaktionssignalweg zu aktivieren. Dieser steht in Korrelation zu der Überlebensfähigkeit unter in vitro Bedingungen.