Genome-wide DNA methylation patterns of bovine blastocysts derived from in vivo embryos subjected to in vitro culture before, during or after embryonic genome activation

• DOI: 10.1186/s12864-018-4826-3
• Publication Date: 2018-06-01T12:07:23Z
• Authors: Dessie Salilew-Wo...; Mohammed Saeed-Zi...; Michael Hoelker; Samuel Gebremedhn; Mikhaël Poirier; Hari Om Pandey; Ernst Tholen; Christiane Neuhoff; Eva Held; Urban Besenfelder; Vita Havlicek; Franca Rings; Eric Fournier; Dominic Gagné; Marc-André Sirard; Claude Robert; Ahmed Gad; Karl Schellander; Dawit Tesfaye
• Keywords: 0301 basic medicine; Cell biology; Genomic imprinting; Molecular biology; Epigenetic Modifications and Their Functional Implications; Embryonic Development; QH426-470; Methylation; Gene; Culture condition; Embryo Culture Techniques; 03 medical and health sciences; Role of Transcription Factors in Cell Regulation; Biochemistry, Genetics and Molecular Biology; Genetics; Animals; Embryo culture; Andrology; Molecular Biology; Biology; Bisulfite sequencing; DNA methylation; Life Sciences; Bovine embryo; Genomics; Sequence Analysis, DNA; DNA Methylation; Chromosomes, Mammalian; Genomic Imprinting and Parental Gene Expression Control; Embryonic stem cell; Blastocyst; Embryo; FOS: Biological sciences; Embryogenesis; Medicine; Cattle; Epigenetics; Gene expression; TP248.13-248.65; Biotechnology; Research Article

Les schémas aberrants de méthylation de l'ADN des gènes nécessaires au développement sont courants chez les embryons produits in vitro. À cet égard, nous avons précédemment identifié des modèles modifiés de méthylation de l'ADN de blastocystes développés in vivo à partir d'embryons qui ont passé différents stades de développement in vitro, indiquant des effets de report de conditions de culture sous-optimales sur les signatures épigénétiques des embryons préimplantatoires. Cependant, les réponses épigénétiques des embryons in vivo à des conditions de culture sous-optimales ne sont pas entièrement comprises. Par conséquent, nous avons étudié ici les modèles de méthylation de l'ADN d'embryons bovins dérivés in vivo soumis à des conditions de culture in vitro avant, pendant ou après l'activation du génome embryonnaire majeur (EGA). Pour cela, des embryons à 2, 8 et 16 cellules produits in vivo ont été cultivés in vitro jusqu'au stade de blastocyste et des blastocystes ont été utilisés pour l'analyse de méthylation de l'ADN à l'échelle du génome. Les groupes d'embryons à 2 et 8 cellules ont montré des taux de blastocyste inférieurs à ceux du groupe à 16 cellules. Cela s'est en outre accompagné d'une augmentation du nombre de régions génomiques méthylées différemment (DMR) dans les blastocystes des groupes de rinçage à 2 et 8 cellules par rapport aux groupes témoins complets in vivo. De plus, 1623 loci génomiques, y compris les gènes imprimés, ont été hyperméthylés dans le blastocyste de groupes purgés à 2, 8 et 16 cellules, indiquant la présence de régions génomiques sensibles à la culture in vitro à n'importe quel stade du développement embryonnaire. De plus, les loci génomiques hyperméthylés étaient plus nombreux que les loci hypométhylés dans les blastocystes des groupes embryonnaires à rinçage à 2 et 16 cellules, mais l'inverse s'est produit dans le groupe à 8 cellules. De plus, les DMR qui étaient uniques aux blastocystes du groupe à 2 cellules purgées et inversement corrélés avec les niveaux d'expression correspondants de l'ARNm étaient impliqués dans le transport des lactates de la membrane plasmique, le transport des acides aminés et les processus métaboliques du phosphore, tandis que les DMR qui étaient spécifiques du groupe à 8 cellules et inversement corrélés avec les niveaux d'expression correspondants de l'ARNm étaient impliqués dans plusieurs processus biologiques, y compris la régulation des acides gras et les processus de biosynthèse des stéroïdes. Les embryons in vivo soumis à une culture in vitro avant et pendant l'activation majeure du génome embryonnaire (EGA) sont sujets à des changements dans les marques de méthylation de l'ADN et l'exposition des embryons in vivo à une culture in vitro pendant le temps de l'EGA a augmenté les loci génomiques hypométhylés dans les blastocystes.<br/>أنماط مثيلة الحمض النووي الشاذة للجينات المطلوبة للتطور شائعة في الأجنة المنتجة في المختبر. في هذا الصدد، حددنا سابقًا أنماط مثيلة الحمض النووي المتغيرة في الكيسات الأريمية المتطورة في الجسم الحي من الأجنة التي قضت مراحل مختلفة من التطور في المختبر، مما يشير إلى التأثيرات المرحلة لظروف الاستنبات دون المستوى الأمثل على التوقيعات اللاجينية للأجنة قبل الزرع. ومع ذلك، فإن الاستجابات اللاجينية للأجنة التي نشأت في الجسم الحي لظروف الاستنبات دون المستوى الأمثل ليست مفهومة تمامًا. لذلك، قمنا هنا بالتحقيق في أنماط مثيلة الحمض النووي لأجنة الأبقار المشتقة في الجسم الحي والتي تعرضت لحالة استنبات في المختبر قبل أو أثناء أو بعد تنشيط الجينوم الجنيني الرئيسي (EGA). لهذا، تم استزراع أجنة المرحلة الثانية والثامنة والسادسة عشرة في الجسم الحي في المختبر حتى تم استخدام مرحلة الكيسة الأريمية والكيسات الأريمية لتحليل مثيلة الحمض النووي على مستوى الجينوم. وأظهرت مجموعات الأجنة المتدفقة المكونة من 2 و 8 خلايا معدلات أقل للكيسة الأريمية مقارنة بمجموعة التدفق المكونة من 16 خلية. كان هذا مصحوبًا أيضًا بأعداد متزايدة من المناطق الجينية الميثيلية التفاضلية (DMRs) في الكيسات الأريمية لمجموعات التدفق المكونة من 2 و 8 خلايا مقارنة بالمناطق الكاملة في مجموعات التحكم في الجسم الحي. علاوة على ذلك، تم فرط ميثلة 1623 موقعًا جينوميًا بما في ذلك الجينات المطبوعة في الكيسة الأريمية لمجموعات دافقة من 2 و 8 و 16 خلية، مما يشير إلى وجود مناطق جينومية حساسة للثقافة في المختبر في أي مرحلة من مراحل التطور الجنيني. علاوة على ذلك، فاق عدد المواضع الجينية المفرطة الميثيل عدد المواضع الناقصة الميثيلية في الكيسات الأريمية لمجموعات الأجنة المتدفقة المكونة من خليتين و 16 خلية، ولكن حدث العكس في المجموعة المكونة من 8 خلايا. علاوة على ذلك، فإن DMRs التي كانت فريدة من نوعها للكيسات الأريمية من المجموعة ذات الخليتين المتدفقة والمرتبطة عكسيًا بمستويات تعبير mRNA المقابلة كانت متورطة في نقل لاكتات غشاء البلازما ونقل الأحماض الأمينية وعمليات التمثيل الغذائي للفوسفور، في حين أن DMRs التي كانت خاصة بمجموعة 8 خلايا ومرتبطة عكسيًا بمستويات تعبير mRNA المقابلة كانت متورطة في العديد من العمليات البيولوجية بما في ذلك تنظيم الأحماض الدهنية وعمليات التخليق الحيوي الستيرويدية. في الأجنة الحية المعرضة للثقافة في المختبر قبل وأثناء تنشيط الجينوم الجنيني الرئيسي (EGA) عرضة للتغيرات في علامات مثيلة الحمض النووي والتعرض للأجنة في الجسم الحي للثقافة في المختبر خلال فترة EGA زيادة المواقع الجينية ناقصة الميثيل في الكيسات الأريمية.<br/>Los patrones aberrantes de metilación del ADN de los genes necesarios para el desarrollo son comunes en los embriones producidos in vitro. En este sentido, identificamos previamente patrones alterados de metilación del ADN de blastocistos desarrollados in vivo a partir de embriones que pasaron diferentes etapas de desarrollo in vitro, lo que indica efectos de arrastre de condiciones de cultivo subóptimas en firmas epigenéticas de embriones de preimplantación. Sin embargo, las respuestas epigenéticas de embriones originados in vivo a condiciones de cultivo subóptimas no se comprenden completamente. Por lo tanto, aquí investigamos los patrones de metilación del ADN de embriones bovinos derivados in vivo sometidos a condiciones de cultivo in vitro antes, durante o después de la activación importante del genoma embrionario (EGA). Para ello, los embriones en estadio de 2, 8 y 16 células producidos in vivo se cultivaron in vitro hasta el estadio de blastocisto y los blastocistos se utilizaron para el análisis de metilación del ADN en todo el genoma. Los grupos de embriones lavados de 2 y 8 células mostraron tasas de blastocistos más bajas en comparación con el grupo de lavado de 16 células. Esto se acompañó además de un mayor número de regiones genómicas metiladas diferencialmente (DMR) en blastocistos de los grupos de lavado de 2 y 8 células en comparación con los de control in vivo completos. Además, 1623 loci genómicos que incluyen genes impresos se hipermetilaron en blastocistos de grupos de lavado de 2, 8 y 16 células, lo que indica la presencia de regiones genómicas que son sensibles al cultivo in vitro en cualquier etapa del desarrollo embrionario. Además, los loci genómicos hipermetilados superaron en número a los hipometilados en blastocistos de grupos de embriones de 2 y 16 células, pero ocurrió lo contrario en el grupo de 8 células. Además, las DMR que eran exclusivas de los blastocistos del grupo de lavado de 2 células y se correlacionaban inversamente con los niveles de expresión de ARNm correspondientes estaban involucradas en el transporte de lactato de membrana plasmática, el transporte de aminoácidos y los procesos metabólicos del fósforo, mientras que las DMR que eran específicas del grupo de 8 células y se correlacionaban inversamente con los niveles de expresión de ARNm correspondientes estaban involucradas en varios procesos biológicos, incluida la regulación de los ácidos grasos y los procesos de biosíntesis de esteroides. Los embriones in vivo sometidos a cultivo in vitro antes y durante la activación importante del genoma embrionario (EGA) son propensos a cambios en las marcas de metilación del ADN y la exposición de embriones in vivo al cultivo in vitro durante el tiempo de EGA aumentó los loci genómicos hipometilados en blastocistos.<br/>Aberrant DNA methylation patterns of genes required for development are common in in vitro produced embryos. In this regard, we previously identified altered DNA methylation patterns of in vivo developed blastocysts from embryos which spent different stages of development in vitro, indicating carryover effects of suboptimal culture conditions on epigenetic signatures of preimplantation embryos. However, epigenetic responses of in vivo originated embryos to suboptimal culture conditions are not fully understood. Therefore, here we investigated DNA methylation patterns of in vivo derived bovine embryos subjected to in vitro culture condition before, during or after major embryonic genome activation (EGA). For this, in vivo produced 2-, 8- and 16-cell stage embryos were cultured in vitro until the blastocyst stage and blastocysts were used for genome-wide DNA methylation analysis.The 2- and 8-cell flushed embryo groups showed lower blastocyst rates compared to the 16-cell flush group. This was further accompanied by increased numbers of differentially methylated genomic regions (DMRs) in blastocysts of the 2- and 8-cell flush groups compared to the complete in vivo control ones. Moreover, 1623 genomic loci including imprinted genes were hypermethylated in blastocyst of 2-, 8- and 16-cell flushed groups, indicating the presence of genomic regions which are sensitive to the in vitro culture at any stage of embryonic development. Furthermore, hypermethylated genomic loci outnumbered hypomethylated ones in blastocysts of 2- and 16-cell flushed embryo groups, but the opposite occurred in the 8-cell group. Moreover, DMRs which were unique to blastocysts of the 2-cell flushed group and inversely correlated with corresponding mRNA expression levels were involved in plasma membrane lactate transport, amino acid transport and phosphorus metabolic processes, whereas DMRs which were specific to the 8-cell group and inversely correlated with corresponding mRNA expression levels were involved in several biological processes including regulation of fatty acids and steroid biosynthesis processes.In vivo embryos subjected to in vitro culture before and during major embryonic genome activation (EGA) are prone to changes in DNA methylation marks and exposure of in vivo embryos to in vitro culture during the time of EGA increased hypomethylated genomic loci in blastocysts.<br/>