Generation of an all-exon Esr2 deleted mouse line: Effects on fertility

• DOI: 10.1016/j.bbrc.2020.06.063
• Publication Date: 2020-06-23T02:09:04Z
• Authors: Per Antonson; Leticia Montanhol...; Mohamed M. Shamekh; Patricia Humire; Matti Poutanen; Claes Ohlsson; Ivan Nalvarte; Jan-Åke Gustafsson
• Keywords: Male; Ovulation; 0301 basic medicine; Immunology; Exon; Gene; Mice; 03 medical and health sciences; Endocrinology; Breast cancer; Biochemistry, Genetics and Molecular Biology; Genetics; Animals; Estrogen Receptor beta; Estrogen receptor; Immunological Mechanisms in Pregnancy and Fetal-Maternal Interface; Sex Determination and Differentiation in Organisms; Biology; Internal medicine; Cancer; Immunology and Microbiology; Estrous cycle; FOS: Clinical medicine; Ovary; Life Sciences; Exons; Estrogen; Hormone; Fertility; FOS: Biological sciences; Estrogen receptor alpha; Medicine; Female; CRISPR-Cas Systems; Mechanisms of Estrogen Receptor Signaling; Gene Deletion

Estrogen receptor beta (ERβ), encoded by the Esr2 gene, is one of two nuclear receptors that mediate the functions of the steroid hormone estradiol. The binding of estradiol to the receptor results in enhanced transcription of many genes that have estrogen response elements in promoter or enhancer regions. Several genetically modified mouse lines with mutations or deletions of exons in the Esr2 gene have been developed and results from analysis of these are not completely consistent, especially regarding ERβ′s role in fertility. To address these controversies, we have used the CRISPR/Cas9 genome editing system to make a deletion of the entire Esr2 gene in the mouse genome and determined the effect of this mutation on fertility. We show that female Esr2 deleted mice, Esr2ΔE1−10, are subfertile at young age, with fewer litters and smaller litter size, and that they become infertile/have severely reduced fertility at around six months of age, while the male Esr2ΔE1−10 mice are fertile. Ovaries from Esr2ΔE1−10 mice are smaller than those from wild-type littermates and the morphology of the ovary displays very few corpora lutea, indicating a defect in ovulation. We also show that the estradiol levels are reduced at diestrus, the phase in the estrous cycle when levels are expected to start to increase before ovulation. Our results verify that ERβ has an important function in female reproduction, likely as a regulator of serum estradiol levels, and that its loss does not affect male reproductive function.<br/>El receptor de estrógeno beta (ERβ), codificado por el gen Esr2, es uno de los dos receptores nucleares que median las funciones de la hormona esteroide estradiol. La unión del estradiol al receptor da como resultado una transcripción mejorada de muchos genes que tienen elementos de respuesta al estrógeno en regiones promotoras o potenciadoras. Se han desarrollado varias líneas de ratones modificados genéticamente con mutaciones o deleciones de exones en el gen Esr2 y los resultados del análisis de estos no son completamente consistentes, especialmente con respecto al papel de ERβ en la fertilidad. Para abordar estas controversias, hemos utilizado el sistema de edición del genoma CRISPR/Cas9 para realizar una deleción de todo el gen Esr2 en el genoma del ratón y determinar el efecto de esta mutación en la fertilidad. Mostramos que los ratones hembra Esr2 delecionados, Esr2ΔE1 −10, son subfértiles a una edad temprana, con menos camadas y un tamaño de camada más pequeño, y que se vuelven infértiles/tienen una fertilidad severamente reducida alrededor de los seis meses de edad, mientras que los ratones machos Esr2ΔE1 −10 son fértiles. Los ovarios de los ratones Esr2ΔE1 −10 son más pequeños que los de los compañeros de camada de tipo salvaje y la morfología del ovario muestra muy pocos cuerpos lúteos, lo que indica un defecto en la ovulación. También mostramos que los niveles de estradiol se reducen en el diestro, la fase en el ciclo estral cuando se espera que los niveles comiencen a aumentar antes de la ovulación. Nuestros resultados verifican que ERβ tiene una función importante en la reproducción femenina, probablemente como regulador de los niveles séricos de estradiol, y que su pérdida no afecta la función reproductiva masculina.<br/>مستقبلات الاستروجين بيتا (ERβ)، المشفرة بواسطة جين Esr2، هي واحدة من اثنين من المستقبلات النووية التي تتوسط وظائف هرمون الستيرويد استراديول. يؤدي ارتباط الإستراديول بالمستقبل إلى نسخ محسن للعديد من الجينات التي تحتوي على عناصر استجابة الإستروجين في مناطق المحفز أو المحسن. تم تطوير العديد من خطوط الفئران المعدلة وراثيًا مع طفرات أو حذف للإكسونات في جين Esr2 والنتائج الناتجة عن تحليلها ليست متسقة تمامًا، خاصة فيما يتعلق بدور ERβ في الخصوبة. لمعالجة هذه الخلافات، استخدمنا نظام تحرير الجينوم CRISPR/Cas9 لإجراء حذف لجين Esr2 بأكمله في جينوم الفأر وحددنا تأثير هذه الطفرة على الخصوبة. نظهر أن إناث فئران Esr2 المحذوفة، Esr2ΔE1 −10، تعاني من ضعف الخصوبة في سن مبكرة، مع عدد أقل من الفضلات وحجم أصغر للقمامة، وأنها تصبح عقيمة/لديها انخفاض شديد في الخصوبة في حوالي ستة أشهر من العمر، في حين أن ذكور Esr2ΔE1 −10 فئران خصبة. المبيضات من فئرانEsr2ΔE1 −10 أصغر من تلك الموجودة في الفئران البرية، وتظهر مورفولوجيا المبيض عددًا قليلاً جدًا من الأجسام الصفراء، مما يشير إلى وجود خلل في الإباضة. نظهر أيضًا أن مستويات الاستراديول تنخفض عند diestrus، وهي المرحلة في الدورة الوعائية التي من المتوقع أن تبدأ فيها المستويات في الزيادة قبل الإباضة. تتحقق نتائجنا من أن ERβ له وظيفة مهمة في تكاثر الإناث، على الأرجح كمنظم لمستويات استراديول المصل، وأن فقدانه لا يؤثر على الوظيفة الإنجابية للذكور.<br/>Le récepteur bêta des œstrogènes (ERβ), codé par le gène Esr2, est l'un des deux récepteurs nucléaires qui médient les fonctions de l'hormone stéroïde estradiol. La liaison de l'estradiol au récepteur entraîne une transcription améliorée de nombreux gènes qui ont des éléments de réponse aux œstrogènes dans les régions promotrices ou amplificatrices. Plusieurs lignées de souris génétiquement modifiées avec des mutations ou des délétions d'exons dans le gène Esr2 ont été développées et les résultats de leur analyse ne sont pas complètement cohérents, en particulier en ce qui concerne le rôle d'ERβ dans la fertilité. Pour répondre à ces controverses, nous avons utilisé le système d'édition du génome CRISPR/Cas9 pour effectuer une délétion de l'ensemble du gène Esr2 dans le génome de la souris et déterminer l'effet de cette mutation sur la fertilité. Nous montrons que les souris femelles délétées d'Esr2ΔE1 −10 sont sous-fertiles à un jeune âge, avec moins de portées et une portée plus petite, et qu'elles deviennent infertiles/ont une fertilité sévèrement réduite vers l'âge de six mois, tandis que les souris mâles Esr2ΔE1 −10 sont fertiles. Les ovaires des souris Esr2ΔE1 −10 sont plus petits que ceux des petits de type sauvage et la morphologie de l'ovaire présente très peu de corps jaunes, indiquant un défaut d'ovulation. Nous montrons également que les taux d'œstradiol sont réduits au moment du diestrus, la phase du cycle œstral où les taux devraient commencer à augmenter avant l'ovulation. Nos résultats confirment que l'ERβ a une fonction importante dans la reproduction féminine, probablement en tant que régulateur des taux sériques d'œstradiol, et que sa perte n'affecte pas la fonction reproductrice masculine.<br/>