Characterization of the placental transcriptome through mid to late gestation in the mare

• DOI: 10.1371/journal.pone.0224497
• Publication Date: 2019-11-14T13:44:22Z
• Authors: Shavahn C. Loux; Pouya Dini; Hossam El-Sheikh Ali; Theodore Kalbfleisch; Barry A. Ball
• Keywords: Placenta; Reproductive health and childbirth; Pregnancy Proteins; Gene; Agricultural and Biological Sciences; Endometrium; Endocrinology; 0302 clinical medicine; Pregnancy; Developmental; Immunological Mechanisms in Pregnancy and Fetal-Maternal Interface; Andrology; Conceptus; Pediatric; Immunology and Microbiology; Q; R; Gene Expression Regulation, Developmental; Life Sciences; Obstetrics and Gynecology; Biological Sciences; Placental Development; Embryo; Medicine; Female; Research Article; 570; General Science & Technology; Science; Immunology; Bioinformatics and Computational Biology; 610; Gestational Age; Chorioallantoic membrane; 03 medical and health sciences; Fetus; Health Sciences; Genetics; Animals; Horses; Biology; Biomedical and Clinical Sciences; Gene Expression Profiling; FOS: Clinical medicine; Placentation; Pathophysiology and Management of Preeclampsia; Reproductive Medicine; Gene Expression Regulation; Fetal membrane; FOS: Biological sciences; Reproductive Health in Dairy Cattle; Gene expression; Transcriptome; Agronomy and Crop Science

The placenta is a dynamic organ which undergoes extensive remodeling throughout pregnancy to support, protect and nourish the developing fetus. Despite the importance of the placenta, very little is known about its gene expression beyond very early pregnancy and post-partum. Therefore, we utilized RNA-sequencing to characterize the transcriptome from the fetal (chorioallantois) and maternal (endometrium) components of the placenta from mares throughout gestation (4, 6, 10, 11 m). Within the endometrium, 47% of genes changed throughout pregnancy, while in the chorioallantois, 29% of genes underwent significant changes in expression. Further bioinformatic analyses of both differentially expressed genes and highly expressed genes help reveal similarities and differences between tissues. Overall, the tissues were more similar than different, with ~ 95% of genes expressed in both tissues, and high similarities between the most highly expressed genes (9/20 conserved), as well as marked similarities between the PANTHER pathways identified. The most highly expressed genes fell under a few broad categories, including endocrine and immune-related transcripts, iron-binding proteins, extracellular matrix proteins, transport proteins and antioxidants. Serine protease inhibitors were particularly abundant, including SERPINA3, 6 and 14, as well as SPINK7 and 9. This paper also demonstrates the ability to effectively separate maternal and fetal components of the placenta, with only a minimal amount of chorioallantoic contamination in the endometrium (~8%). This aspect of equine placentation is a boon for better understanding gestational physiology and allows the horse to be used in areas where a separation of fetal and maternal tissues is essential. Overall, these data represent the first large-scale characterization of placental gene expression in any species and include time points from multiple mid- to late-gestational stages, helping further our understanding of gestational physiology.<br/>Le placenta est un organe dynamique qui subit un remodelage important tout au long de la grossesse pour soutenir, protéger et nourrir le fœtus en développement. Malgré l'importance du placenta, on sait très peu de choses sur son expression génique au-delà du très début de la grossesse et du post-partum. Par conséquent, nous avons utilisé le séquençage de l'ARN pour caractériser le transcriptome des composants fœtaux (chorioallantois) et maternels (endomètre) du placenta des juments tout au long de la gestation (4, 6, 10, 11 m). Dans l'endomètre, 47% des gènes ont changé tout au long de la grossesse, tandis que dans le chorioallantois, 29% des gènes ont subi des changements d'expression significatifs. D'autres analyses bioinformatiques des gènes exprimés de manière différentielle et des gènes fortement exprimés aident à révéler des similitudes et des différences entre les tissus. Dans l'ensemble, les tissus étaient plus similaires que différents, avec ~ 95% des gènes exprimés dans les deux tissus, et des similitudes élevées entre les gènes les plus exprimés (9/20 conservés), ainsi que des similitudes marquées entre les voies PANTHER identifiées. Les gènes les plus exprimés appartenaient à quelques grandes catégories, notamment les transcrits endocriniens et immunitaires, les protéines de liaison au fer, les protéines de la matrice extracellulaire, les protéines de transport et les antioxydants. Les inhibiteurs de la sérine protéase étaient particulièrement abondants, notamment SERPINA3, 6 et 14, ainsi que SPINK7 et 9. Cet article démontre également la capacité de séparer efficacement les composants maternels et fœtaux du placenta, avec seulement une quantité minimale de contamination chorioallantoique dans l'endomètre (~8 %). Cet aspect de la placentation équine est une aubaine pour une meilleure compréhension de la physiologie gestationnelle et permet au cheval d'être utilisé dans les zones où une séparation des tissus fœtal et maternel est essentielle. Dans l'ensemble, ces données représentent la première caractérisation à grande échelle de l'expression des gènes placentaires chez toutes les espèces et comprennent des points temporels allant de plusieurs stades gestationnels moyens à tardifs, ce qui nous aide à mieux comprendre la physiologie gestationnelle.<br/>المشيمة هي عضو ديناميكي يخضع لإعادة تشكيل واسعة النطاق طوال فترة الحمل لدعم وحماية وتغذية الجنين النامي. على الرغم من أهمية المشيمة، لا يُعرف سوى القليل جدًا عن التعبير الجيني لها بعد الحمل المبكر جدًا وبعد الولادة. لذلك، استخدمنا تسلسل الحمض النووي الريبوزي لتوصيف الترانسكريبتوم من مكونات المشيمة الجنينية (المشيمية) والأمومية (بطانة الرحم) من الأفراس طوال فترة الحمل (4، 6، 10، 11 م). داخل بطانة الرحم، تغيرت 47 ٪ من الجينات طوال فترة الحمل، بينما في المشيمة، خضعت 29 ٪ من الجينات لتغيرات كبيرة في التعبير. تساعد المزيد من التحليلات المعلوماتية الحيوية لكل من الجينات المعبر عنها بشكل تفاضلي والجينات المعبر عنها بشكل كبير في الكشف عن أوجه التشابه والاختلاف بين الأنسجة. بشكل عام، كانت الأنسجة أكثر تشابهًا من مختلفة، حيث تم التعبير عن حوالي 95 ٪ من الجينات في كلا الأنسجة، وأوجه التشابه العالية بين الجينات الأكثر تعبيرًا (محفوظة بنسبة 9/20)، بالإضافة إلى أوجه التشابه الملحوظة بين مسارات النمر التي تم تحديدها. تندرج الجينات الأكثر تعبيرًا تحت فئات عريضة قليلة، بما في ذلك الغدد الصماء والنصوص المتعلقة بالمناعة، والبروتينات المرتبطة بالحديد، وبروتينات المصفوفة خارج الخلية، وبروتينات النقل ومضادات الأكسدة. كانت مثبطات بروتياز السيرين وفيرة بشكل خاص، بما في ذلك SERPINA 3 و 6 و 14، وكذلك SPINK 7 و 9. توضح هذه الورقة أيضًا القدرة على الفصل الفعال بين مكونات الأم والجنين في المشيمة، مع وجود كمية ضئيلة فقط من تلوث المشيمة في بطانة الرحم (~8 ٪). هذا الجانب من مشيمة الخيول هو نعمة لفهم فسيولوجيا الحمل بشكل أفضل ويسمح باستخدام الحصان في المناطق التي يكون فيها فصل أنسجة الجنين والأم أمرًا ضروريًا. بشكل عام، تمثل هذه البيانات أول توصيف واسع النطاق للتعبير الجيني المشيمي في أي جنس وتشمل نقاطًا زمنية من مراحل متعددة من منتصف الحمل إلى أواخره، مما يساعد على زيادة فهمنا لعلم وظائف الأعضاء الحملي.<br/>La placenta es un órgano dinámico que se somete a una extensa remodelación durante todo el embarazo para apoyar, proteger y nutrir al feto en desarrollo. A pesar de la importancia de la placenta, se sabe muy poco sobre su expresión génica más allá del embarazo muy temprano y el posparto. Por lo tanto, utilizamos la secuenciación de ARN para caracterizar el transcriptoma de los componentes fetal (corioalantoides) y materno (endometrio) de la placenta de yeguas a lo largo de la gestación (4, 6, 10, 11 m). Dentro del endometrio, el 47% de los genes cambiaron durante el embarazo, mientras que en el corioalantoides, el 29% de los genes experimentaron cambios significativos en la expresión. Otros análisis bioinformáticos de genes expresados diferencialmente y genes altamente expresados ayudan a revelar similitudes y diferencias entre los tejidos. En general, los tejidos fueron más similares que diferentes, con ~ 95% de los genes expresados en ambos tejidos, y altas similitudes entre los genes más altamente expresados (9/20 conservados), así como marcadas similitudes entre las vías de PANTHER identificadas. Los genes más expresados pertenecían a unas pocas categorías amplias, incluidas las transcripciones endocrinas e inmunorrelacionadas, las proteínas de unión al hierro, las proteínas de la matriz extracelular, las proteínas de transporte y los antioxidantes. Los inhibidores de la serina proteasa fueron particularmente abundantes, incluidos SERPINA3, 6 y 14, así como SPINK7 y 9. Este documento también demuestra la capacidad de separar eficazmente los componentes maternos y fetales de la placenta, con solo una cantidad mínima de contaminación corioalantoidea en el endometrio (~8%). Este aspecto de la placentación equina es una bendición para comprender mejor la fisiología gestacional y permite que el caballo se use en áreas donde es esencial una separación de los tejidos fetales y maternos. En general, estos datos representan la primera caracterización a gran escala de la expresión génica placentaria en cualquier especie e incluyen puntos temporales de múltiples etapas gestacionales medias a tardías, lo que ayuda a comprender mejor la fisiología gestacional.<br/>