Egg activation is a crucial step that initiates embryo development upon breaking the meiotic arrest. In mammalian, egg activation is accomplished by fusion with sperm, which induces the repeated intracellular $Ca^{2+}$- increases ($[Ca^{2+}]_i$ oscillation). Researches in mammals support the view of the $[Ca^{2+}]_i$ oscillation and egg activation is triggered by a protein factor from sperm that causes $[Ca^{2+}]_i$ release from endoplasmic reticulum, intracellular $[Ca^{2+}]_i$ store, by persistently activation of phosphoinositide pathway. It represents that the sperm factor generates production of inositol trisphosphate ($IP_3$). Recently a sperm specific form of phospholipase C zeta, referred to as PLCZ was identified. In this paper, we confer the evidence that PLCZ represent the sperm factor that induces $[Ca^{2+}]_i$ oscillation and egg activation and discuss the correlation of PLCZ and infertility.
Fertilization is a complex process comprised of numerous steps. During fertilization, two highly specialized and differentiated cells (sperm and egg) fuse and subsequently trigger the development of an embryo from a quiescent, arrested oocyte. Molecular interactions between the sperm and egg are necessary for regulating the developmental potential of an oocyte, and precise coordination and regulation of gene expression and protein function are critical for proper embryonic development. The nematode Caenorhabditis elegans has emerged as a valuable model system for identifying genes involved in fertilization and the oocyte-to-embryo transition as well as for understanding the molecular mechanisms that govern these processes. In this review, we will address current knowledge of the molecular underpinnings of gamete interactions during fertilization and the oocyte-to-embryo transition in C. elegans. We will also compare our knowledge of these processes in C. elegans to what is known about similar processes in mammalian, specifically mouse, model systems.
Previous studies have shown that BMI-1026 is a potent inhibitor of the cyclin-dependent kinases (cdk). In cell culture, the compound also arrests G2/M strongly and G1/S and S weakly. Two key kinases, cdk1 (p34cdc2 kinase) and mitogen-activated protein (MAP) kinase (erk1 and 2), perform crucial roles during oocyte maturation and, later, metaphase II (MII) arrest. In mammalian oocytes, both kinases are activated gradually around the time of germinal vesicle breakdown (GVBD) and maintain high activity in eggs arrested at metaphase II. In this study, we examined the effects of BMI-1026 on GVBD and MII arrest in mouse oocytes. BMI-1026 inhibited GVBD of immature oocytes and activated MII-arrested oocytes in a concentration-dependent manner, with more than 90% of oocytes exhibiting GVBD inhibition and MII activation at 100 nM This is approximately 500$\sim$1,000 times more potent than the activity reported for the cdk inhibitors roscovitine (${\sim}50{\mu}M$) and butyrolactone (${\sim}100{\mu}M$). Based on the results of previous in vitro kinase assays, we expected BMI-1026 to inhibit only cdk1 activation in oocytes and eggs, not MAP kinase. However, in our cell-based system, it inhibited the activity of both kinases. We also found that the effect of BMI-1026 is reversible. Our results suggest that BMI-1026 inhibits GVBD and activates MII-arrested oocytes efficiently and reversibly and that it also inhibits both cdk1/histone HI kinase and MAP kinase in mouse oocytes.
Stored maternal factors in oocytes regulate oocyte differentiation into embryos during early embryonic development. Before zygotic gene activation (ZGA), these early embryos are mainly dependent on maternal factors for survival, such as macromolecules and subcellular organelles in oocytes. The genes encoding these essential maternal products are referred to as maternal effect genes (MEGs). MEGs accumulate maternal factors during oogenesis and enable ZGA, progression of early embryo development, and the initial establishment of embryonic cell lineages. Disruption of MEGs results in defective embryogenesis. Despite their important functions, only a few mammalian MEGs have been identified. In this review we summarize the roles of known MEGs in mouse fertility, with a particular emphasis on oocytes and early embryonic development. An increased knowledge of the working mechanism of MEGs could ultimately provide a means to regulate oocyte maturation and subsequent early embryonic development.
The success of nuclear transplantation with mammalian oocytes depends critically on the potential of oocytes activation, which mainly caused to prevent the re-accumulation of maturation promoting factor (MPF). This study was conducted to compare the effect of combined treatment of lonomycin with a Hl-histone kinase inhibitor (dimethylaminopurine, DMAP) or cdc2 kinase inhibitor (sodium pyrophosphate, SPP) on activation of bovine oocytes. In vitro matured bovine oocytes with the first polar body (PB) and dense cytoplasm were assigned to 3 experimental groups. For activation treatment, oocytcs were exposed to 5 $\mu$M lonomycin for 5 min (Group 1), and followed by 1.9 mM dimethylaminopurine (DMAP) for 3 h (Group 2) or followed by 2 mM sodium pyrophosphate (SPP) for 3 h (Group 3). The activation effects in the three treatments and the control group (untreated) were judged by the extrusion of the second PB and formation of a pronucleus (PN). Differences among groups were analysed using one-way ANOVA after arc-sine transformation of proportional data. All three treatments led to high activation rates (90% to 95%), with significant difference from the control. However, the extrusion of the second PB and the rate of PN formation differed remarkably among treatments. In Group I and 3, about 95% of the oocytes had extruded the second polar body, but one PN had formed in a higher proportion of oocytes in Group 3 than in Group 1 (90% vs. 5%). In experiment 2, the rates of cleavage and development into blastocysts in Group 1 were significantly lower than those of Group 2 and 3 (8.7% and 0% vs. 50.5% and 11.6%, and 44.6% and 7.2%, respectively, P<0.05). In experiment 3, ~80% of parthenotes in Group 1 were developed with haploid chromosomal sets. However, when ionomycin was followed immediately by DMAP (Group 2). only 20% of parthenotes were haploid. In Group 3, combined treatment with ionomycin and SPP, the appearance of abnormal chromosomal tracts was significantly (P〈0.05) reduced and the proportion of haploid parthenotes was increased to 85% (17/20) than in Group 2. These results demonstrate that SPP acted as a cdc2 kinase inhibitor and formed the haploidy in oocyte activation. Thus, the present study suggests that cdc2 kinase inhibitor, such as sodium pyrophosphate, may have an effective role in oocyte activation for the production of cloned embryos/animals by nuclear transplantation.
Park, Hyo-Jin;Kim, Jin-Woo;Park, Jae-Young;Yang, Seul-Gi;Jung, Jae-Min;Kim, Min-Ji;Koo, Deog-Bon
Journal of Embryo Transfer
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v.32
no.1
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pp.17-24
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2017
Ganglioside GD1a is specifically formed by the addition of sialic acid to ganglioside GM1a by ST3 ${\beta}$-galactoside ${\alpha}$-2,3-sialyltransferase 2 (ST3GAL2). Above all, GD1a are known to be related with the functional regulation of several growth factor receptors, including activation and dimerization of epidermal growth factor receptor (EGFR) in tumor cells. The activity of EGF and EGFR is known to be a very important factor for meiotic and cytoplasmic maturation during in vitro maturation (IVM) of mammalian oocytes. However, the role of gangliosides GD1a for EGFR-related signaling pathways in porcine oocyte is not yet clearly understood. Here, we investigated that the effect of ST3GAL2 as synthesizing enzyme GD1a for EGFR activation and phosphorylation during meiotic maturation. To investigate the expression of ST3GAL2 according to the EGF treatment (0, 10 and 50 ng/ml), we observed the patterns of ST3GAL2 genes expression by immunofluorescence staining in denuded oocyte (DO) and cumulus cell-oocyte-complex (COC) during IVM process (22 and 44 h), respectively. Expression levels of ST3GAL2 significantly decreased (p<0.01) in an EGF concentration (10 and 50 ng/ml) dependent manner. And fluorescence expression of ST3GAL2 increased (p<0.01) in the matured COCs for 44 h. Under high EGF concentration (50 ng/ml), ST3GAL2 protein levels was decreased (p<0.01), and their shown opposite expression pattern of phosphorylation-EGFR in COCs of 44 h. Phosphorylation of EGFR significantly increased (p<0.01) in matured COCs treated with GD1a for 44 h. In addition, ST3GAL2 protein levels significantly decreased (p<0.01) in GD1a ($10{\mu}M$) treated COCs without reference to EGF pre-treatment. These results suggest that treatment of exogenous ganglioside GD1a may play an important role such as EGF in EGFR-related activation and phosphorylation in porcine oocyte maturation of in vitro.
In an attempt to evaluate the function of MAP kinase of porcine oocytes and to develop a method of assessment for kinase activity, we used MBP as a substrate to detect the MAP kinase activity of porcine oocytes matured in in vitro. The MAP kinase which had lower activity during the first 20 hours of culture started to show an increased amount of activity at 25 hours at which a collapse in nuclear membrane was induced. Significant (P<0.05) a, pp.ared at 30 hours of being cultured. The gel phosphorylation method, MBP which has been known to be a substrate for kinase such as cdc2 kinase, was phosphorylated at two positions corresponding to ERK 1 (44kDa) and ERK2 (42 kDa) which are known as mammalian MAP kinase. The existence of MARKK and MAP kinase were identified with western blotting at 0 hour culture of immature GV oocytes. The amount of those proteins did not increase during 40 hours of culture, which suggest that the increase of MAP kinase activity was caused by phosphorylaton rather than due to change in protein amount. MAPKK and MAP kinase were shown to be dephosporylated with deactivated at M 1 stage by inhibition of protein synthesis with cycloheximide added at the strat following the cultrue. We have reulsts that indicate the existedence of MAP kinase cascade which was activated simultaneously with start of porcine oocyte maturation (GVBD).
Enucleation of oocytes is an important limiting step for embryo cloning. We propose an enucleation technique based on the removal of chromatin after oocyte activation by aspirating the second polar body containing complemented chromatin. In a preliminary experiment to determine an optimal age of oocytes enucleation in rabbits, oocytes were enucleated at 15~20 hours post hCG. Recently ovulated oocytes were enucleated at a higher rate than aged oocytes. Microsurgical removal of the complemented chromatin in the second polar body was significantly more effective in enucleating than aspiration of a larger cytoplasm volume surrounding the first polar body of metaphase-arrested oocytes(96.8% versus 70.4%; P〈0.05). Moreover, compared with a nuclear transplantation protocol based on enucleation of metaphase-arrested oocytes and preactivated oocytes followed by treatment with 5 $\mu$M ionomycin for 5 min and 2 mM DMAP for 1 hr, there was no significant difference in the rate of blastocyst development. The ease with which modified technique can be performed is likely to render this technique widely useful for research and practice on mammalian cloning.
Considerable attention has been focused on the cloning of mammalian embryos, as a consequence of poor development, in order to enhance the application of genetic engineering. Experiments were conducted to compare the developmental competence of parthenotes and reconstructed (NT) rabbit eggs with fetal fibroblasts (FFs) following various activation regimens. Oocytes and NT eggs were exposed to: electric stimulation (EST, Group 1) and EST followed by 6-dimethylaminopurine (DMAP, Group 2), cycloheximide (CHX, Group 3) or DMAP/CHX (Group 4). Pronuclear (PN) status, cleavage, blastocyst development and the ploidy were assessed. In parthenote groups 1, 2, 3 and 4, the PN formation differed significantly. And, the cleavage and blastocyst rates were 41.7 and 5%, 75.6 and 53.7%, 68 and 36%, 82.1 and 52.6%, respectively, among treatments. Polyploidy was observed in 17.2% of EST plus DMAP and 44.9% of EST plus DMAP/CHX groups. In SCNT groups (Group 1, 2, 3 and 4), the cleavage and blastocyst rates were 28.6 and 7.1%, 58.3 and 29.2%, 56.8 and 24.1%, 64.5 and 27.8%, respectively. The chromosomal composition differed significantly (p<0.05) among treatments. In Group 2 and 3, 53.8% and 81.8% of embryos revealed diploid chromosomal sets, respectively. However, in Group 4, 53.3% of embryos showed abnormal ploidy (mixoploid). Although DMAP or combination with DMAP/CHX resulted in higher in vitro development of rabbit SCNT embryos, higher incidence of chromosomal abnormality may induce problems related to fetal loss of at late stage of development.
The mammalian target of rapamycin (mTOR) regulates cellular processes such as cell growth, metabolism, transcription, translation, and autophagy. Rapamycin is a selective inhibitor of mTOR, and induces autophagy in various systems. Autophagy contributes to clearance and recycling of macromolecules and organelles in response to stress. We previously reported that vitrified-warmed mouse oocytes show acute increases in autophagy during warming, and suggested that it is a natural response to cold stress. In this follow-up study, we examined whether the modulation of autophagy influences survival, fertilization, and developmental rates of vitrified-warmed mouse oocytes. We used rapamycin to enhance autophagy in metaphase II (MII) oocytes before and after vitrification. The oocytes were then subjected to in vitro fertilization (IVF). The fertilization and developmental rates of vitrified-warmed oocytes after rapamycin treatment were significantly lower than those for control groups. Modulation of autophagy with rapamycin treatment shows that rapamycin-induced autophagy exerts a negative influence on fertilization and development of vitrified-warmed oocytes.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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