Análisis molecular, proteómico y filogenético de lazona pelúcida de mamíferos

Zusammenfassung

INTRODUCCIÓN La zona pelúcida (ZP) es una matriz traslúcida, glicoproteica y acelular que rodea los ovocitos de los mamíferos implicada en importantes procesos durante la fecundación. Se ha considerado que la ZP estaba constituida por tres glicoproteínas (ZP1, ZP2 y ZP3) teniendo en cuenta estudios realizados en el ratón. Sin embargo, estudios posteriores demostraron que la ZP de cerda y de vaca también presentaba tres glicoproteínas, pero no estando presente en estos casos ZP1, siendo la composición ZP2, ZP3 y ZP4. Además, en estos últimos años se ha descrito que diferentes especies presentan cuatro glicoproteínas en su ZP, como es el caso de la mujer, la rata, el macaco coronado, el hámster, la coneja y la gata. OBJETIVOS: En la presente Tesis Doctoral ahondamos en la composición de la ZP en varios grupos de mamíferos: marsupiales, roedores y carnívoros. Estudiamos la evolución de los distintos genes y se analiza el comportamiento de la ZP de varias especies con diferente composición proteica mediante estudios funcionales como la fecundación in vitro (FIV) y la digestión de la ZP mediante proteasas. METODOLOGÍA: En este estudio realizamos un análisis in silico de las distintas especies de marsupiales y carnívoros disponibles en distintas bases de datos (Ensembl y Pubmed); así como un análisis molecular en un marsupial australiano (wallaby de Bennett y koala), un marsupial sudamericano (zarigüeya común), tres roedores (Mastomys coucha, Mus mattheyi y Mus pahari) y dos carnívoros (perro y zorro). Para ello, se aisló ARNm de ovarios de las distintas especies con el que se sintetizó ADNc y en otros casos se obtuvo ADNg a partir de tejidos. El ADN se empleó en las amplificaciones por PCR usando cebadores diseñados a partir de las secuencias de las distintas ZPs. A continuación, realizamos análisis filogenéticos a partir de alineamientos múltiples de las secuencias empleando SEAVIEW. El modelo de evolución se eligió empleando iMOLDETEST y el árbol se construyó usando el método de máxima verosimilitud mediante el programa PHYLM. Por otro lado, se realizó un análisis por proteómica en los roedores analizados para determinar la composición proteica de su ZP. Por último, se realizaron análisis funcionales determinando el tiempo de digestión completa de la ZP usando tripsina en roedores y se realizan ensayos de FIV homólogos y heterólogos empleando roedores de diferentes especies. RESULTADOS Y CONCLUSIONES: Marsupiales: La composición de la ZP es diferente en los marsupiales australianos y sudamericanos, pudiendo estar formada por 4 a 6 glicoproteínas. En el orden Didelphimorphia de los marsupiales sudamericanos, la ZP podría estar formada por ZP1, ZP2, ZP3-b y ZP3-c y en los marsupiales australianos podría estar formada por ZP1, ZP2, ZP3-a, ZP3-b, ZP3-c y ZP4. Detectándose pseudogenización del gen ZP4 en los marsupiales del orden Didelphimorphia además de en dos xenartros, el armadillo y el perezoso. Roedores: En el ovario de Mastomys coucha, Mus mattheyi y Mus pahari se expresa el ARNm de ZP1, ZP2, ZP3 y ZP4 demostrándose la presencia de estas proteínas mediante análisis proteómico. La pseudogenización de ZP4 en la subfamilia Murinae se estima que ocurrió hace 5-7 millones de años, afectando únicamente al subgénero Mus. La ZP de ratonas con 4 glicoproteínas se digiere antes que la ZP de ratonas con 3 glicoproteínas y los espermatozoides de ratones con 3 proteínas en su ZP pueden fecundar el ovocito de ratones con 4 proteínas en su ZP. Carnívoros: En el ovario de la hurona se expresa el ARNm de ZP1, ZP2, ZP3 y ZP4, mientras que en el ovario de la zorra se expresa el ARNm de ZP2, ZP3 y ZP4, estando ZP1 pseudogenizado. La pseudogenización de ZP1 parece afectar únicamente a la familia Canidae. The zona pellucida (ZP), a translucent, glycoproteic and acellular matrix that surrounds the mammalian oocytes, is involved in important steps during fertilization. Based on studies in mouse, it was long considered that the ZP is formed of three glycoproteins (ZP1, ZP2 and ZP3). However, later studies demonstrated that pig and cow ZP is also formed of three glycoproteins, although ZP1 is not present in these cases, the composition being ZP2, ZP3 and ZP4. Furthermore, in more recent years other species have been found to contain four glycoproteins in their ZP, e.g. human, bonnet macaque, hamster, rabbit and cat. OBJECTIVES: In the present thesis we take a deep look at the ZP composition in placental mammals (carnivores and rodents) and in metatherian mammals (marsupials). We also study the evolution of the different ZP genes and analyze the ZP behaviour in several species of different protein composition by means of functional studies, such as in vitro fertilization (IVF) and ZP digestion with proteases. METHODS: An in silico analysis was made of the marsupial and carnivore species for which information is available in the databases Ensembl and Pubmed. In addition we made a molecular analysis of two Australasian marsupials (Bennett's wallaby and koala), one South American marsupial (Common opossum), three mice (Mastomys coucha, Mus mattheyi and Mus pahari) and two carnivores (dog and fox). For this, mRNA was isolated from the ovaries and cDNA was synthesized; in other cases, gDNA was obtained from tissues. The DNA was used in PCR amplifications and primers were designed according to the different ZP sequences. Next, a phylogenetic analysis was made using SEAVIEW from multiple alignments of the obtained sequences. The evolution model was chosen using iMOLDETEST and the phylogenetic tree was constructed using the maximum likelihood method with the PHYLM program. In addition, a proteomic analysis was conducted in the studied mice to determine the protein composition of their ZP. Finally, functional analyses were made, calculating ZP digestion time using tripsine and doing homologous and heterologous IVF analysis using different mice species. RESULTS AND CONCLUSIONS: Marsupials: ZP composition differs between Australasian and South American marsupials; since it may be formed of four to six glycoproteins. In the South American order Didelphimorphia, the ZP is probably formed of four glycoproteins (ZP1, ZP2, ZP3-b and ZP3-c), whilst in Australasian marsupials the ZP is probably formed of six proteins (ZP1, ZP2, ZP3-a, ZP3-b, ZP3-c and ZP4). A ZP4 pseudogenization was detected in the Didelphimorphia order of marsupials and also in two xenarthrans, the armadillo and the tree sloth. Rodents: In the ovaries of Mastomys coucha, Mus mattheyi and Mus pahari, the mRNA of ZP1, ZP2, ZP3 and ZP4 is expressed and the presence of these proteins was demonstrated by proteomic analysis. The pseudogenization of ZP4 in the Murinae subfamily is estimated to date from around 5-7 million years, affecting only the subgenus Mus. The digestion of ZP from mice with 4 glycoproteins occurs before than the digestion from mice with 3 glycoproteins. Furthermore, mice with 3 ZP proteins can fertilize mice with 4 ZP proteins. Carnivores: The mRNA of ZP1, ZP2, ZP3 and ZP4 is expressed in ferret ovaries, whilst in fox the mRNA of ZP2, ZP3 and ZP4 is expressed, ZP1 being a pseudogene. Such ZP1 pseudogenization seems to only affect the Canidae family.