Inhibiting Sperm Pyruvate Dehydrogenase Complex and Its E3 Subunit, Dihydrolipoamide Dehydrogenase Affects Fertilization in Syrian Hamsters

• DOI: 10.1371/journal.pone.0097916
• Publication Date: 2014-05-22T20:50:09Z
• Authors: Archana B. Siva; Subbarayalu Panne...; Purnima Sailasree; Durgesh K. Singh; Duvurri B. Kamesh...; Sisinthy Shivaji
• Keywords: Male; Science; Pyruvate Dehydrogenase Complex; Biochemistry; Gene; 03 medical and health sciences; 0302 clinical medicine; Pyruvate dehydrogenase complex; Pyruvate dehydrogenase lipoamide kinase isozyme 1; Cricetinae; Health Sciences; Genetics; Animals; Dihydrolipoamide dehydrogenase; Male Reproductive Health; Biology; Dihydrolipoamide Dehydrogenase; Diagnosis and Management of Polycystic Ovary Syndrome; Mesocricetus; Q; R; Fertility Preservation in Cancer Patients; Public Health, Environmental and Occupational Health; Spermatozoa; Sperm DNA Fragmentation; Sperm; Pyruvate dehydrogenase phosphatase; Culture Media; Chemistry; Human fertilization; Reproductive Medicine; Protein subunit; Enzyme; 13. Climate action; Fertilization; FOS: Biological sciences; Medicine; Calcium; Female; Research Article

تم تأكيد أهمية تكثيف الحيوانات المنوية لتخصيب الثدييات في هذه الدراسة عن طريق استقلاب الحيوانات المنوية. يُقترح إشراك الإنزيمات الأيضية لمركب بيروفات نازعة الهيدروجين (PDHc) ووحدته الفرعية E3، نازعة هيدروجين ثنائي هيدرو ليبواميد (DLD) في الإخصاب في المختبر للهامستر (IVF) عن طريق تكثيف الحيوانات المنوية في المختبر من خلال تنظيم اللاكتات داخل الخلايا المنوية، ودرجة الحموضة والكالسيوم. تم السماح للحيوانات المنوية للهامستر المسعرة بتخصيب بويضات الهامستر في المختبر والتي تم تقييمها بعد ذلك للإخصاب المجهري. تم تثبيط PDHc/DLD باستخدام مثبط DLD المحدد، MICA (حمض 5 - methoxyindole -2 - carboxylic). أظهرت البويضات المخصبة بمعالجة MICA (MT) [وبالتالي مثبطة PDHc/DLD] الحيوانات المنوية إخصابًا معيبًا حيث لم يلاحظ إطلاق الجسم القطبي الثاني وتكوين النوى. يعزى الإخصاب المعيب إلى فشل السعة بسبب ارتفاع اللاكتات وانخفاض درجة الحموضة داخل الخلايا والكالسيوم في الحيوانات المنوية أثناء السعة. علاوة على ذلك، يمكن التغلب على هذا العيب عن طريق قلنة الحيوانات المنوية، قبل الإخصاب. زيادة الكالسيوم داخل الخلايا في الحيوانات المنوية قبل التلقيح الاصطناعي وفي البويضات المخصبة بشكل معيب، أنقذت مرحلة ما بعد الإخصاب التوقيف الذي شوهد، مما يشير إلى دور الكالسيوم داخل الخلايا من أي من الأمشاج في الإخصاب. أثبتت التجارب الموازية التي أجريت مع الحيوانات المنوية ذات القدرة على التحكم في المتوسط مع انخفاض درجة الحموضة خارج الخلية أو اللاكتات العالية ضرورة مستويات اللاكتات داخل الخلايا المثلى للحيوانات المنوية، ودرجة الحموضة داخل الخلايا والكالسيوم أثناء تكثيف الحيوانات المنوية، من أجل الإخصاب السليم. تؤكد هذه الدراسة أهمية استقلاب البيروفات/اللاكتات في تكثيف الحيوانات المنوية من أجل الإخصاب الناجح، إلى جانب الكشف لأول مرة عن أهمية PDHc/ DLD للحيوانات المنوية في الإخصاب، من خلال تعديل اللاكتات داخل الخلايا المنوية، ودرجة الحموضة والكالسيوم أثناء التكثيف. بالإضافة إلى ذلك، تشير الملاحظات التي تم إجراؤها في دراسات التلقيح الاصطناعي على الهامستر إلى أن فشل السعة يمكن أن يكون سببًا معقولًا للإخصاب غير الناجح الذي تمت مواجهته أثناء تقنيات الإنجاب بمساعدة الإنسان، مثل التلقيح الاصطناعي والحقن المجهري. تشير دراساتنا إلى دور تكثيف الحيوانات المنوية في أحداث ما بعد الاختراق أثناء الإخصاب.<br/>La importancia de la capacitación de los espermatozoides para la fertilización de mamíferos se ha confirmado en el presente estudio a través del metabolismo de los espermatozoides. Se propone la participación del complejo de enzimas metabólicas piruvato deshidrogenasa (PDHc) y su subunidad E3, dihidrolipoamida deshidrogenasa (DLD) en la fertilización in vitro (FIV) de hámster a través de la capacitación de espermatozoides in vitro mediante la regulación del lactato intracelular, el pH y el calcio de los espermatozoides. Se permitió que los espermatozoides de hámster capacitados fertilizaran los ovocitos de hámster in vitro que luego se evaluaron para la fertilización, microscópicamente. PDHc/DLD se inhibió mediante el uso del inhibidor de DLD específico, MICA (ácido 5-metoxiindol-2-carboxílico). Los ovocitos fertilizados con espermatozoides tratados con Mica (MT) [y, por lo tanto, inhibidos por PDHc/DLD] mostraron una fertilización defectuosa donde no se observó la liberación del segundo cuerpo polar y la formación de pronúcleos. La fertilización defectuosa fue atribuible al fracaso de la capacitación debido al alto nivel de lactato y al bajo pH intracelular y al calcio en los espermatozoides MT durante la capacitación. Además, este defecto podría superarse alcalinizando los espermatozoides, antes de la fertilización. Al aumentar el calcio intracelular en los espermatozoides antes de la FIV y en los ovocitos fertilizados defectuosamente, la fertilización posterior rescató la detención observada, lo que sugiere el papel del calcio intracelular de cualquiera de los gametos en la fertilización. Experimentos paralelos llevados a cabo con espermatozoides de control capacitados en medio con pH extracelular bajo o lactato alto corroboraron la necesidad de niveles óptimos de lactato intracelular espermático, pH intracelular y calcio durante la capacitación espermática, para una fertilización adecuada. Este estudio confirma la importancia del metabolismo piruvato/lactato en la capacitación de espermatozoides para una fertilización exitosa, además de revelar por primera vez la importancia de la PDHc/ DLD espermática en la fertilización, a través de la modulación del lactato intracelular espermático, pH y calcio durante la capacitación. Además, las observaciones realizadas en los estudios de FIV en hámsters sugieren que los fallos de capacitación podrían ser una causa plausible de fertilización infructuosa encontrada durante las tecnologías de reproducción asistida humana, como la FIV y la ICSI. Nuestros estudios indican un papel de la capacitación de los espermatozoides en los eventos posteriores a la penetración durante la fertilización.<br/>The importance of sperm capacitation for mammalian fertilization has been confirmed in the present study via sperm metabolism. Involvement of the metabolic enzymes pyruvate dehydrogenase complex (PDHc) and its E3 subunit, dihydrolipoamide dehydrogenase (DLD) in hamster in vitro fertilization (IVF) via in vitro sperm capacitation is being proposed through regulation of sperm intracellular lactate, pH and calcium.Capacitated hamster spermatozoa were allowed to fertilize hamster oocytes in vitro which were then assessed for fertilization, microscopically. PDHc/DLD was inhibited by the use of the specific DLD-inhibitor, MICA (5-methoxyindole-2-carboxylic acid). Oocytes fertilized with MICA-treated (MT) [and thus PDHc/DLD-inhibited] spermatozoa showed defective fertilization where 2nd polar body release and pronuclei formation were not observed. Defective fertilization was attributable to capacitation failure owing to high lactate and low intracellular pH and calcium in MT-spermatozoa during capacitation. Moreover, this defect could be overcome by alkalinizing spermatozoa, before fertilization. Increasing intracellular calcium in spermatozoa pre-IVF and in defectively-fertilized oocytes, post-fertilization rescued the arrest seen, suggesting the role of intracellular calcium from either of the gametes in fertilization. Parallel experiments carried out with control spermatozoa capacitated in medium with low extracellular pH or high lactate substantiated the necessity of optimal sperm intracellular lactate levels, intracellular pH and calcium during sperm capacitation, for proper fertilization.This study confirms the importance of pyruvate/lactate metabolism in capacitating spermatozoa for successful fertilization, besides revealing for the first time the importance of sperm PDHc/ DLD in fertilization, via the modulation of sperm intracellular lactate, pH and calcium during capacitation. In addition, the observations made in the IVF studies in hamsters suggest that capacitation failures could be a plausible cause of unsuccessful fertilization encountered during human assisted reproductive technologies, like IVF and ICSI. Our studies indicate a role of sperm capacitation in the post-penetration events during fertilization.<br/>L'importance de la capacitation des spermatozoïdes pour la fécondation des mammifères a été confirmée dans la présente étude via le métabolisme des spermatozoïdes. L'implication du complexe d'enzymes métaboliques pyruvate déshydrogénase (PDHc) et de sa sous-unité E3, la dihydrolipoamide déshydrogénase (DLD) dans la fécondation in vitro (FIV) du hamster via la capacitation in vitro du sperme est proposée par la régulation du lactate intracellulaire du sperme, du pH et du calcium. Les spermatozoïdes de hamster capacités ont été autorisés à féconder des oocytes de hamster in vitro qui ont ensuite été évalués pour la fécondation, au microscope. PDHc/DLD a été inhibé par l'utilisation de l'inhibiteur spécifique de DLD, LE MICA (acide 5-méthoxyindole-2-carboxylique). Les ovocytes fécondés avec des spermatozoïdes traités par MICA (MT) [et donc inhibés par PDHc/DLD] ont montré une fécondation défectueuse où la 2ème libération du corps polaire et la formation de pronuclei n'ont pas été observées. Une fertilisation défectueuse était attribuable à une défaillance de la capacitation due à un taux élevé de lactate et à un faible pH intracellulaire et au calcium dans les spermatozoïdes MT pendant la capacitation. De plus, ce défaut pourrait être surmonté en alcalinisant les spermatozoïdes, avant la fécondation. En augmentant le calcium intracellulaire dans les spermatozoïdes avant la FIV et dans les ovocytes fécondés de manière défective, la post-fécondation a sauvé l'arrêt observé, suggérant le rôle du calcium intracellulaire de l'un ou l'autre des gamètes dans la fécondation. Des expériences parallèles menées avec des spermatozoïdes témoins capacités dans un milieu à faible pH extracellulaire ou à lactate élevé ont justifié la nécessité de niveaux optimaux de lactate intracellulaire de sperme, de pH intracellulaire et de calcium pendant la capacitation des spermatozoïdes, pour une fertilisation appropriée. Cette étude confirme l'importance du métabolisme pyruvate/lactate dans la capacitation des spermatozoïdes pour une fertilisation réussie, en plus de révéler pour la première fois l'importance de la PDHc/ DLD des spermatozoïdes dans la fertilisation, via la modulation du lactate intracellulaire des spermatozoïdes, du pH et du calcium pendant la capacitation. En outre, les observations faites dans les études de FIV chez les hamsters suggèrent que les défaillances de capacité pourraient être une cause plausible d'échec de la fécondation rencontrée lors des technologies de procréation assistée humaine, comme la FIV et l'ICSI. Nos études indiquent un rôle de la capacitation des spermatozoïdes dans les événements post-pénétration lors de la fécondation.<br/>