Comparison of different methods for exogenous DNA uptake by bovine spermatozoa / Comparação de diferentes métodos de incorporação de DNA exógeno pelo espermatozoide bovino

Although genetic manipulation of farm animals is of great interest for animal production and the pharmaceutical industry, its efficiency remains far from satisfactory. Pronuclear injection, which is the most widely used technique for such modification, mainly in mice, remains limited for this species. Some alternatives have been developed such as sperm mediated gene transfer, in which the spermatozoa are used as vectors for DNA delivery during in vitro fertilization. Mature sperm cells are able to spontaneously bind exogenous DNA molecules which may be internalized into sperm nuclei. Given the potential of sperm mediated gene transfer for livestock animals transgenesis, the aim of this study was to evaluate four methods of DNA uptake for sperm mediated gene transfer in bovine: incubation with DNA, plasma membrane alteration induced by calcium ionophore followed by incubation with DNA, electroporation and lipofection. Spermatozoa not exposed to exogenous DNA were used as control group. Cleavage, blastocyst and hatching rates were recorded at 72 hours post insemination (hpi), days 9 and 12 of embryo culture, respectively. Exogenous DNA-positive embryos were evaluated by PCR. No effect of treatment was observed on cleavage, blastocyst and hatching rates. In addition, percentage of DNA positive blastocysts did not differ among experimental groups. In spite of the low number of positive embryos, our results show that all treatments presented similar efficiencies for DNA delivery during in vitro fertilization. In conclusion, although the development rates were similar and constant in all groups, other factors such as exogenous DNA sequence, size and concentration should be considered to improve sperm mediated gene transfer.

Apesar da manipulação genética de animais domésticos ser de grande interesse para a produção animal e para a indústria farmacêutica, a sua eficiência ainda é insatisfatória. A injeção pronuclear, a técnica mais utilizada para tal propósito, principalmente em camundongos, ainda apresenta limitações para esta espécie. Algumas alternativas têm sido desenvolvidas como o uso de espermatozoides como vetores para transferência gênica, na qual a célula espermática tem habilidade espontânea de se ligar à molécula de DNA e internalizá-la. Dado o potencial da transferência gênica mediada por espermatozoide para animais domésticos transgênicos, o objetivo do presente trabalho foi a avaliação de quatro métodos de incorporação de DNA para a transferência gênica mediada por espermatozoides na espécie bovina: incubação com DNA, alteração da membrana plasmática induzida por cálcio ionóforo seguida por incubação com o DNA exógeno, eletroporação e lipofecção. Espermatozoides não expostos ao DNA exógeno foram usados como grupo controle. Os índices de clivagem, blastocisto e eclosão foram avaliados, respectivamente, as 72 horas após a inseminação dos oócitos, bem como, aos 9 e 12 dias de cultivo embrionário. Os embriões positivos para o DNA exógeno foram avaliados por PCR. Nenhum efeito de tratamento foi observado nos índices de clivagem, blastocisto e eclosão. Além disso, a porcentagem de blastocistos positivos para o DNA exógeno não diferiu entre os grupos experimentais. Apesar do baixo número de embriões positivos para DNA exógeno, os resultados obtidos mostram que todos os tratamentos apresentaram eficiências similares. A conclusão obtida foi que, apesar de os índices de desenvolvimento embrionário terem sido similares e constante em todos os grupos experimentais, outros fatores como a sequência, o tamanho e a concentração do DNA exógeno devem ser avaliados para melhorar a transferência gênica mediada por espermatozoides.

In vitro development of bovine embryos cultured under different fetal calf serum concentrations and cell types / Desenvolvimento in vitro de embriões bovinos cultivados sob diferentes concentrações de soro fetal bovino e tipos celulares

The present work was carried out to evaluate the in vitro development of bovine embryo co-cultured in granulosa, oviduct, BRL or VERO cells co-cultures, supplemented with 5% or 10% of Fetal Calf Serum (FCS). Cummulus oocyte complexes were aspirated, matured and fertilized in vitro. Embryonic structures were divided into eight treatments. They were placed in culture media TCM 199 containing granulosa, oviduct, BRL or VERO cells, each of them added with 5% or 10% FCS. The conditions for the co-culture were 38.5 ºC, 5% CO2 in air and high humidity for ten consecutive days. Cleavage, blastocyst and hatching rates did not differ (p > 0.05) in co-culture with primary cells (granulosa and oviduct) when FCS concentration increased from 5 to 10%. However, in continuous cells co-culture (BRL and VERO), when FCS concentration increased from 5% to 10%, the blastocyst development rate decreased significantly (p < 0.05) from 33.6 to 16.3% and from 40 to 16.5% in embryo co-culture with BRL and VERO cells, respectively.

O presente trabalho foi realizado com o objetivo de avaliar o desenvolvimento in vitro de embriões bovinos co-cultivados em células da granulosa, do oviduto, BRL e VERO, suplementados com 5% ou 10% de Soro Fetal Bovino (SFB). Os complexos cummulus oócitos foram aspirados, maturados e fecundados in vitro. As estruturas embrionárias foram divididas em oito tratamentos: co-cultivo em TCM 199 contendo células da granulosa, do oviduto, BRL ou VERO adicionadas com 5% ou 10% de SFB. As condições de cultivo foram 38.5 ºC, 5% CO2 em ar e alta humidade por dez dias consecutivos. Os índices de clivagem, blastocisto e eclosão não diferiram (p > 0,05) no co-cultivo com células primárias (granulosa e oviduto) quando a concentração de SFB aumentou de 5 para 10%. Entretanto, no co-cultivo com células de linhagens contínuas (BRL e VERO), quando a concentração de SFB aumentou de 5% para 10%, os índices de blastocistos diminuíram significativamente (p < 0,05) de 33,6 para 16,3 % e de 40 para 16,5% nos embriões bovinos co-cultivados com células VERO e BRL, respectivamente.

Kinetics of changes in plasma membrane related to apoptosis and necrosis in bovine sperm cells at different incubation times

Incubation time induce damages in sperm cells by necrosis and/or apoptosis. The aim of this study was the evaluation of changes in plasma membrane related to apoptosis and necrosis in bovine sperm cells through 2 hours of incubation. Sperm cells were incubated at 5% (v/v) CO subscribed to 2 in air for 0, 30, 60, 90 and 120 minutes. After each period, sperm cells were incubated with fluorescent probes Yo-pro and propidium iodide (PI) to detect change in plasma membrane related to apoptosis and necrosis respectively. Using Yo-pro/PI assay, three different subpopulations of sperm cells were detected by flow cytometry: a) necrotic sperm cells (PI superscript + and Yo-pro superscript to -/+); b) apoptotic sperm cells (Yo-pro superscript to+ and PI superscript to-) and c) living cells (Yo-pro superscript to- and PI superscript to-). The percentage of live cells (plasma membrane integrity) significantly decreases over 2 hour of incubation, on the other hand, the percentage of necrotic and apoptotic cells increase during incubation. Changes in plasma membrane integrity were correlated to incubation time. While live cells were negatively correlated with the increase of incubation time, necrosis and apoptosis were positively correlated. It was also observed that necrosis was the main damage in sperm cells in all incubation times. In conclusion, incubation time induces changes in plasma membrane integrity related to necrosis and apoptosis, whether necrosis is present in higher quantity in all incubation times.

O tempo de incubação causa danos nas células espermáticas relacionados a necrose e/ou apoptose. O objetivo deste estudo foi avaliar as mudanças na membrana plasmática relacionadas a apoptose e necrose em espermatozóides bovinos durante 2 horas de incubação. Os espermatozóides foram incubados a 5% (v/v) CO subscrito por 2 em ar por 0, 30, 60, 90 e 120 minutes. Depois de cada periodo, as células espermáticas foram incubadas com as sondas fluorescentes Yo-pro e iodito de propideo (PI) para detectar mudanças na membrana plasmática relacionadas a apoptose e a necrose, respectivamente. Usando Yo-pro/PI assay, três subpopulações diferentes de células espermáticas são detectadas pelo citômetro de fluxo: a) células espermáticas em necrose (PI elevado a+ and Yo-pro elevado a-/+); b) células espermáticas em apoptose (Yo-pro elevado a+ and PI elevado a-) e c) células espermáticas vivas (Yo-pro- and PI elevado a-). A porcentagem de células vivas (membrana plasmática integra) significativamente diminui durante 2 horas de incubação, por outro lado, a porcentagem de espermatozóides em necrose e apoptose aumentaram durante a incubação. As mudanças na integridade da membrana plasmática foram correlacionadas com o tempo de incubação. Enquanto as células vivas foram correlacionadas negativamente com o aumento do tempo de incubação, necrose e apoptose foram correlacionadas positivamente. Também foi observado que necrose foi o principal dano causado pelo tempo de incubação nas células espermáticas. Conclui-se que o tempo de incubação causa alteração na integridade da membrana plasmática relacionadas a necrose e apoptose nas células espermáticas, sendo que necrose foi observada em maior quantidade em todos os tempos de incubação.