Differential Genes Expression between Fertile and Infertile Spermatozoa Revealed by Transcriptome Analysis

• DOI: 10.1371/journal.pone.0127007
• Publication Date: 2015-05-14T17:50:41Z
• Authors: Sandeep Kumar Bansal; Nishi Gupta; Satya Narayan San...; Singh Rajender
• Keywords: Adult; Male; Molecular biology; Science; Gene; Young Adult; 03 medical and health sciences; Somatic cell; Pregnancy; Biochemistry, Genetics and Molecular Biology; Health Sciences; Genetics; Humans; Sex Determination and Differentiation in Organisms; Andrology; Male Reproductive Health; Biology; Infertility, Male; Male infertility; 0303 health sciences; Gene Expression Profiling; Q; R; Fertility Preservation in Cancer Patients; Public Health, Environmental and Occupational Health; Life Sciences; Sperm Quality; Middle Aged; Spermatozoa; Sperm DNA Fragmentation; Sperm; Semen Analysis; Fertility; Gene Ontology; Gene Expression Regulation; Reproductive Medicine; Sexually Dimorphic Gene Expression; Asthenozoospermia; FOS: Biological sciences; Infertility; Medicine; RNA; Gene expression; Transcriptome; Research Article

Antecedentes Anteriormente se creía que los espermatozoides no tienen rastros de ARN debido a la pérdida de la mayor parte del citoplasma. Estudios recientes han revelado la presencia de unos 3000 tipos diferentes de ARNm en los espermatozoides eyaculados. Sin embargo, la correlación del perfil del transcriptoma con la infertilidad sigue siendo oscura. Métodos Se aisló el ARN total de espermatozoides (después de la exclusión de células somáticas) de 60 hombres que consistían en individuos con fertilidad conocida (n=20), infertilidad idiopática (pacientes normozoospérmicos, n=20) y astenozoospermia (n=20). Después del control de calidad del ARN en el Bioanalizador, se utilizó AffymetrixGeneChip Human Gene 1.0 ST Array para el perfil de expresión, que consistió en >30.000 transcritos codificantes y >11.000 transcritos intergénicos no codificantes largos. Resultados La comparación entre los tres grupos reveló que dos mil ochenta y un transcripciones se expresaron diferencialmente. El análisis de estos transcritos mostró que algunos transcritos [proteínas ribosómicas (RPS25, RPS11, RPS13, RPL30, RPL34, RPL27, RPS5), HINT1, HSP90AB1, SRSF9, EIF4G2, ILF2] estaban regulados positivamente en el grupo normozoospérmico, pero regulados negativamente en el grupo astenozoospérmico en comparación con el grupo de control. Algunos transcritos fueron específicos para el grupo normozoospérmico (regulados positivamente: CAPNS1, FAM153C, ARF1, CFL1, RPL19, USP22; regulados negativamente: ZNF90, SMNDC1, c14orf126, HNRNPK), mientras que algunos fueron específicos para el grupo astenozoospérmico (regulados positivamente: RPL24, HNRNPM, RPL4, PRPF8, HTN3, RPL11, RPL28, RPS16, SLC25A3, C2orf24, RHOA, GDI2, NONO, PARK7; regulados negativamente: HNRNPC, SMARCAD1, RPS24, RPS24, RPS27A, KIFAP3). Varios transcritos expresados diferencialmente en espermatozoides se relacionaron con la reproducción (n = 58) y el desarrollo (n= 210). Algunos de estos transcritos estaban relacionados con proteínas de choque térmico (DNAJB4, DNAJB14), genes específicos de testículos (TCP11, TESK1, TSPYL1, ADAD1) y genes del cromosoma Y (DAZ1, TSPYL1). Conclusión Una población compleja de ARN en espermatozoides consistía en ARN codificantes y no codificantes. Una serie de transcripciones que participan en una serie de procesos celulares, incluida la reproducción y el desarrollo, se expresaron diferencialmente entre individuos fértiles e infértiles. Las diferencias entre los grupos de comparación sugieren que el ARN de los espermatozoides tiene un gran potencial para actuar como marcadores para la evaluación de la fertilidad.<br/>Contexte On croyait auparavant que les spermatozoïdes ne présentaient aucune trace d'ARN en raison de la perte de la majeure partie du cytoplasme. Des études récentes ont révélé la présence d'environ 3000 types différents d'ARNm dans les spermatozoïdes éjaculés. Cependant, la corrélation entre le profil du transcriptome et l'infertilité reste obscure. Méthodes L'ARN total des spermatozoïdes (après exclusion des cellules somatiques) de 60 hommes constitués de personnes ayant une fertilité connue (n=20), une infertilité idiopathique (patients normozoospermiques, n=20) et une asthénozoospermie (n=20) a été isolé. Après le contrôle de la qualité de l'ARN sur Bioanalyzer, AffymetrixGeneChip Human Gene 1.0 ST Array a été utilisé pour le profilage de l'expression, qui consistait en >30 000 transcrits codants et >11 000 transcrits non codants intergéniques de longue durée. Résultats La comparaison entre les trois groupes a révélé que deux mille quatre-vingt-un transcriptions étaient exprimées différemment. L'analyse de ces transcrits a montré que certains transcrits [protéines ribosomiques (RPS25, RPS11, RPS13, RPL30, RPL34, RPL27, RPS5), HINT1, HSP90AB1, SRSF9, EIF4G2, ILF2] étaient régulés à la hausse dans le groupe normozoospermique, mais à la baisse dans le groupe asthénozoospermique par rapport au groupe témoin. Certains transcrits étaient spécifiques au groupe normozoospermique (régulé à la hausse : CAPNS1, FAM153C, ARF1, CFL1, RPL19, USP22 ; régulé à la baisse : ZNF90, SMNDC1, c14orf126, HNRNPK), tandis que d'autres étaient spécifiques au groupe asthénozoospermique (régulé à la hausse : RPL24, HNRNPM, RPL4, PRPF8, HTN3, RPL11, RPL28, RPS16, SLC25A3, C2orf24, RHOA, GDI2, NONO, PARK7 ; régulé à la baisse : HNRNPC, SMARCAD1, RPS24, RPS24, RPS27A, KIFAP3). Un certain nombre de transcrits exprimés différemment dans les spermatozoïdes étaient liés à la reproduction (n = 58) et au développement (n= 210). Certains de ces transcrits étaient liés aux protéines de choc thermique (DNAJB4, DNAJB14), aux gènes spécifiques des testicules (TCP11, TESK1, TSPYL1, ADAD1) et aux gènes du chromosome Y (DAZ1, TSPYL1). Conclusion Une population complexe d'ARN dans les spermatozoïdes consistait en ARN codants et non codants. Un certain nombre de transcrits qui participent à une foule de processus cellulaires, y compris la reproduction et le développement, ont été exprimés différemment entre les individus fertiles et infertiles. Les différences entre les groupes de comparaison suggèrent que l'ARN spermatique a un fort potentiel d'agir comme marqueurs pour l'évaluation de la fertilité.<br/>الخلفية كان يعتقد في وقت سابق أن الحيوانات المنوية ليس لها آثار للحمض النووي الريبي بسبب فقدان معظم السيتوبلازم. كشفت الدراسات الحديثة عن وجود حوالي 3000 نوع مختلف من الحمض النووي الريبوزي المرسال في الحيوانات المنوية التي يتم قذفها. ومع ذلك، لا يزال ارتباط ملف تعريف transcriptome بالعقم غامضًا. تم عزل إجمالي الحمض النووي الريبي من الحيوانات المنوية (بعد استبعاد الخلايا الجسدية) لـ 60 رجلاً يتكونون من أفراد لديهم خصوبة معروفة (ن=20)، وعقم مجهول السبب (مرضى الحيوانات المنوية الطبيعية، ن=20)، ووهن الحيوانات المنوية (ن=20). بعد فحص جودة الحمض النووي الريبي على المحلل الحيوي، تم استخدام صفيف AffymetrixGeneChip Human Gene 1.0 ST للتنميط التعبيري، والذي تألف من أكثر من 30,000 نسخة ترميز وأكثر من 11,000 نسخة طويلة غير مشفرة بين الجينات. كشفت مقارنة النتائج بين المجموعات الثلاث أن ألفين وواحد وثمانين نسخة تم التعبير عنها بشكل مختلف. أظهر تحليل هذه النصوص أن بعض النصوص [البروتينات الريبوسومية (RPS25، RPS11، RPS13، RPL30، RPL34، RPL27، RPS5)، HINT1، HSP90AB1، SRSF9، EIF4G2، ILF2] تم تنظيمها في المجموعة النطاف الطبيعية، ولكن تم تنظيمها في المجموعة النطاف مقارنة بالمجموعة الضابطة. كانت بعض النصوص خاصة بالمجموعة النحاسية الطبيعية (أعلى التنظيم: CAPNS1، FAM153C، ARF1، CFL1، RPL19، USP22 ؛ أسفل التنظيم: ZNF90، SMNDC1، c14orf126، HNRNPK)، في حين كان بعضها خاصًا بالمجموعة النحاسية (أعلى التنظيم: RPL24، HNRNPM، RPL4، PRPF8، HTN3، RPL11، RPL28، RPS16، SLC25A3، C2orf24، RHOA، GDI2، NONO، PARK7 ؛ أسفل التنظيم: HNRNPC، SMARCAD1، RPS24، RPS24، RPS27A، KIFAP3). كان عدد من النصوص المعبر عنها بشكل تفاضلي في الحيوانات المنوية مرتبطًا بالتكاثر (العدد = 58) والتطور (العدد= 210). كانت بعض هذه النصوص مرتبطة ببروتينات الصدمة الحرارية (DNAJB4، DNAJB14)، وجينات محددة للخصية (TCP11، TESK1، TSPYL1، ADAD1)، وجينات الكروموسوم Y (DAZ1، TSPYL1). الخلاصة تتكون مجموعة معقدة من الحمض النووي الريبي في الحيوانات المنوية من الحمض النووي الريبي المشفر وغير المشفر. تم التعبير عن عدد من النصوص التي تشارك في مجموعة من العمليات الخلوية، بما في ذلك التكاثر والتنمية بشكل مختلف بين الأفراد الخصبين والعقم. تشير الاختلافات بين مجموعات المقارنة إلى أن الحمض النووي الريبي للحيوانات المنوية لديه إمكانات قوية للعمل كعلامات لتقييم الخصوبة.<br/>Background It was believed earlier that spermatozoa have no traces of RNA because of loss of most of the cytoplasm. Recent studies have revealed the presence of about 3000 different kinds of mRNAs in ejaculated spermatozoa. However, the correlation of transcriptome profile with infertility remains obscure. Methods Total RNA from sperm (after exclusion of somatic cells) of 60 men consisting of individuals with known fertility (n=20), idiopathic infertility (normozoospermic patients, n=20), and asthenozoospermia (n=20) was isolated. After RNA quality check on Bioanalyzer, AffymetrixGeneChip Human Gene 1.0 ST Array was used for expression profiling, which consisted of >30,000 coding transcripts and >11,000 long intergenic non-coding transcripts. Results Comparison between all three groups revealed that two thousand and eighty one transcripts were differentially expressed. Analysis of these transcripts showed that some transcripts [ribosomal proteins (RPS25, RPS11, RPS13, RPL30, RPL34, RPL27, RPS5), HINT1, HSP90AB1, SRSF9, EIF4G2, ILF2] were up-regulated in the normozoospermic group, but down-regulated in the asthenozoospermic group in comparison to the control group. Some transcripts were specific to the normozoospermic group (up-regulated: CAPNS1, FAM153C, ARF1, CFL1, RPL19, USP22; down-regulated: ZNF90, SMNDC1, c14orf126, HNRNPK), while some were specific to the asthenozoospermic group (up-regulated: RPL24, HNRNPM, RPL4, PRPF8, HTN3, RPL11, RPL28, RPS16, SLC25A3, C2orf24, RHOA, GDI2, NONO, PARK7; down-regulated: HNRNPC, SMARCAD1, RPS24, RPS24, RPS27A, KIFAP3). A number of differentially expressed transcripts in spermatozoa were related to reproduction (n = 58) and development (n= 210). Some of these transcripts were related to heat shock proteins (DNAJB4, DNAJB14), testis specific genes (TCP11, TESK1, TSPYL1, ADAD1), and Y-chromosome genes (DAZ1, TSPYL1). Conclusion A complex RNA population in spermatozoa consisted of coding and non-coding RNAs. A number of transcripts that participate in a host of cellular processes, including reproduction and development were differentially expressed between fertile and infertile individuals. Differences between comparison groups suggest that sperm RNA has strong potential of acting as markers for fertility evaluation.<br/>