Park, Min Hee;Park, Ji Eun;Kim, Min Seong;Lee, Kwon Young;Yun, Jung Im;Choi, Jung Hoon;Lee, Eunsong;Lee, Seung Tae
Journal of Embryo Transfer
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v.29
no.3
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pp.221-228
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2014
Despite that porcine spermatogonial stem cells (pSSCs) have been regarded as a practical tool for preserving eternally genetic backgrounds derived from pigs with high performance in the economic traits or phenotypes of specific human diseases, there were no reports about precise definition of niche conditions promoting proliferation and maintenance of pSSCs. Accordingly, we tried to determine niche conditions supporting proliferation and maintenance of undifferentiated pSSCs for short-term. For these, undifferentiated pSSCs were progressively cultured in different composition of culture medium, seeding density of pSSCs, type of feeder cells and concentration of growth factors, and then total number of and alkaline phosphatase (AP) activity of pSSCs were investigated at post-6 day culture. As the results, the culture of $4{\times}10^5$ pSSCs on mitotically in activated $2{\times}10^5$ STO cells in the mouse embryonic stem cell culture medium (mESCCM) supplemented with 30 ng/ml glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF) was identified as the best niche condition supporting effectively the short-term maintenance of undifferentiated pSSCs. Moreover, the optimized short-term culture system will be a basis for developing long-term culture system of pSSCs in the following researches.
To date, there are no protocols optimized to the effective separation of spermatogonial stem cells (SSCs) from testicular cells derived from mouse testes, thus hindering studies based on mouse SSCs. In this study, we aimed to determine the most efficient purification method for the isolation of SSCs from mouse testes among previously described techniques. Isolation of SSCs from testicular cells derived from mouse testes was conducted using four different techniques: differential plating (DP), magnetic-activated cell sorting (MACS) post-DP, MACS, and positive and negative selection double MACS. DP was performed for 1, 2, 4, 8, or 16 h, and MACS was performed using EpCAM ($MACS^{EpCAM}$), Thy1 ($MACS^{Thy1}$), or GFR ${\alpha}1$ ($MACS^{GFR{\alpha}1}$) antibodies. The purification efficiency of each method was analyzed by measuring the percentage of cells that stained positively for alkaline phosphatase. DP for 8 h, $MACS^{Thy1}$ post-DP for 8 h, $MACS^{GFR{\alpha}1}$, positive selection double $MACS^{GFR{\alpha}1/EpCAM}$, and negative selection double $MACS^{GFR{\alpha}1/{\alpha}-SMA}$ were identified as the optimal protocols for isolation of SSCs from mouse testicular cells. Comparison of the purification efficiencies of the optimized isolation protocols showed that, numerically, the highest purification efficiency was obtained using $MACS^{GFR{\alpha}1}$. Overall, our results indicate that $MACS^{GFR{\alpha}1}$ is an appropriate purification technique for the isolation of SSCs from mouse testicular cells.
Spermatogenesis and testis development are highly structured physiological processes responsible for post-pubertal fertility in stallions. Spermatogenesis comprises spermatocytogenesis, meiosis, and spermiogenesis. Although germ cell degeneration is a continuous process, its effects are more pronounced during spermatocytogenesis and meiosis. The productivity and efficiency of spermatogenesis are directly linked to pubertal development, degenerated germ cell populations, aging, nutrition, and season of the year in stallions. The multiplex interplay of germ cells with somatic cells, endocrine and paracrine factors, growth factors, and signaling molecules contributes to the regulation of spermatogenesis. A cell-tocell communication within the testes of these factors is a fundamental requirement of normal spermatogenesis. A noteworthy development has been made recently on discovering the effects of different somatic cells including Leydig, Sertoli, and peritubular myoid cells on manipulation the fate of spermatogonial stem cells. In this review, we discuss the self-renewal, differentiation, and apoptotic roles of somatic cells and the relationship between somatic and germ cells during normal spermatogenesis. We also summarize the roles of different growth factors, their paracrine/endocrine/autocrine pathways, and the different cytokines associated with spermatogenesis. Furthermore, we highlight important matters for further studies on the regulation of spermatogenesis. This review presents an insight into the mechanism of spermatogenesis, and helpful in developing better understanding of the functions of somatic cells, particularly in stallions and would offer new research goals for developing curative techniques to address infertility/subfertility in stallions.
Background: The testis has been reported to be a naturally O2-deprived organ, dimethyloxaloylglycine (DMOG) can inhibit hypoxia inducible factor-1alpha (HIF-1α) subject to degradation under normal oxygen condition in cells. Objectives: The objective of this study is to detect the effects of DMOG on the proliferation and differentiation of spermatogonial stem cells (SSCs) in Bama minipigs. Methods: Gradient concentrations of DMOG were added into the culture medium, HIF-1α protein in SSCs was detected by western blot analysis, the relative transcription levels of the SSC-specific genes were analyzed using quantitative reverse transcription polymerase chain reaction (qRT-PCR). Six days post-induction, the genes related to spermatogenesis were detected by qRT-PCR, and the DNA content was determined by flow cytometry. Results: Results revealed that the levels of HIF-1α protein increased in SSCs with the DMOG treatment in a dose-dependent manner. The relative transcription levels of SSC-specific genes were significantly upregulated (p < 0.05) by activating HIF-1α expression. The induction results showed that DMOG significantly increased (p < 0.05) the spermatogenesis capability of SSCs, and the populations of haploid cells significantly increased (p < 0.05) in DMOG-treated SSCs when compared to those in DMOG-untreated SSCs. Conclusion: We demonstrate that DMOG can promote the spermatogenesis activity of SSCs.
The faulty regulation of imprinting gene lead to the abnormal development of reconstructed embryo after nuclear transfer. However, the correlation between the imprinting status of donor cell and preimplantation stage of embryo development is not yet clear. In this study, to determine this correlation, we used the porcine spermatogonial stem cell (pSSC) and fetal fibroblast (pFF) as donor cells. As the results, the isolated cells with laminin matrix selection strongly expressed the GFR ${\alpha}$-1 and PLZF genes of SSCs specific markers. The pSSCs were maintained to 12 passages and positive for the pluripotent marker including OCT4, SSEA1 and NANOG. The methylation analysis of H19 DMR of pSSCs revealed that the zinc finger protein binding sites CTCF3 of H19 DMRs displayed an androgenic imprinting pattern (92.7%). Also, to investigate the reprogramming potential of pSSCs as donor cell, we compared the development rate and methylation status of H19 gene between the reconstructed embryos from pFF and pSSC. This result showed no significant differences of the development rate between the pFFs ($11.2{\pm}0.8%$) and SSCs ($13.3{\pm}1.1%$). However, interestingly, while the CTCF3 methylation status of pFF-NT blastocyst was decreased (36.3%), and the CTCF3 methylation status of pSSC-NT blastocyst was maintained. Therefore, this result suggested that the genomic imprinting status of pSSCs is more effective than that of normal somatic cells for the normal development because the maintenance of imprinting pattern is very important in early embryo stage.
Multipotent spermatogonial stem cells (mSSCs), derived from uni-potent SSC, are a type of reprogrammed cells with similar characteristics to embryonic stem cells (ESCs). The aim of this study was to evaluate the potential for transgenesis of mSSC derived from outbred mice and the production of transgenic animal by the mSSC-insertion into embryo. mSSCs, established from outbred mice (ICR strain) in the previous study, were maintained and then transfected with a lenti-viral vector expressing green fluorescent protein (GFP), CS-CDF-CG-PRE. Embryonic stem cells (ESCs) were derived from inbred transgenic mice (C57BL/6-Tg (CAG-EGFP)) and were used as an experimental control. Transfected mSSCs were well proliferated in vitro and maintained their characteristics and normal karyotype. Ten to twelve mSSCs and ESCs were collected and inserted into perivitelline space of 8-cell mouse embryos, and then transferred them into uteri of poster mothers after an additional 2-days of culture. Percentage of mSSC-derived offsprings was 4.8% (47/980) and which was lower than those (11.7% (67/572)) of ESC-derived ones (P<0.05). However, even though different genetic background of mSSC and ESC origin, the production efficiency of coat-colored chimeric offspring in mSSC group was not different when compared it with ESC (6.4% (3/47) vs. 7.5% (5/67)). From these results, we confirmed that mSSC derived from outbred mice has a pluripotency and a potential to produce chimeric embryos or mice when reaggregatation with mSSC is performed.
Currently, the systems for culturing buffalo spermatogonial stem cells (SSCs) in vitro are varied, and their effects are still inconclusive. In this study, we compared the effects of culture systems with undefined (foetal bovine serum) and defined (KnockOut Serum Replacement) materials on the in vitro culture of buffalo SSC-like cells. Significantly more DDX4- and UCHL1-positive cells (cultured for 2 days at passage 2) were observed in the defined materials culture system than in the undefined materials system (p < 0.01), and these cells were maintained for a longer period than those in the culture system with undefined materials (10 days vs. 6 days). Furthermore, NANOS2 (p < 0.05), DDX4 (p < 0.01) and UCHL1 (p < 0.05) were expressed at significantly higher levels in the culture system with defined materials than in that with undefined materials. Induction with retinoic acid was used to verify that the cultured cells maintained SSC characteristics, revealing an SCP3+ subset in the cells cultured in the defined materials system. The expression levels of Stra8 (p < 0.05) and Rec8 (p < 0.01) were significantly increased, and the expression levels of ZBTB16 (p < 0.01) and DDX4 (p < 0.05) were significantly decreased. These findings provided a clearer research platform for exploring the mechanism of buffalo SSCs in vitro.
Spermatogonial stem cells (SSCs) have stemness characteristics, including germ cell-specific imprints that allow them to form gametes. Spermatogenesis involves changes in gene expression such as a transition from expression of somatic to germ cell-specific genes, global repression of gene expression, meiotic sex chromosome inactivation, highly condensed packing of the nucleus with protamines, and morphogenesis. These step-by-step processes finally generate spermatozoa that are fertilization competent. Dynamic epigenetic modifications also confer totipotency to germ cells after fertilization. Primordial germ cells (PGCs) in embryos do not enter meiosis, remain in the proliferative stage, and are referred to as gonocytes, before entering quiescence. Gonocytes develop into SSCs at about 6 days after birth in rodents. Although chromatin structural modification by Polycomb is essential for gene silencing in mammals, and epigenetic changes are critical in spermatogenesis, a comprehensive understanding of transcriptional regulation is lacking. Recently, we evaluated the expression profiles of Yin Yang 1 (YY1) and CP2c in the gonads of E14.5 and 12-week-old mice. YY1 localizes at the nucleus and/or cytoplasm at specific stages of spermatogenesis, possibly by interaction with CP2c and YY1-interacting transcription factor. In the present article, we discuss the possible roles of YY1 and CP2c in spermatogenesis and stemness based on our results and a review of the relevant literature.
Cryopreservation is an option for the preservation of pre- or post-pubertal female or male fertility. This technique not only is beneficial for human clinical applications, but also plays a crucial role in the breeding of livestock and endangered species. Unfortunately, frozen germ cells, including oocytes, sperm, embryos, and spermatogonial stem cells, are subject to cryoinjury. As a result, various cryoprotective agents and freezing techniques have been developed to mitigate this damage. Despite extensive research aimed at reducing apoptotic cell death during freezing, a low survival rate and impaired cell function are still observed after freeze-thawing. In recent decades, several cell death pathways other than apoptosis have been identified. However, the relationship between these pathways and cryoinjury is not yet fully understood, although necroptosis and autophagy appear to be linked to cryoinjury. Therefore, gaining a deeper understanding of the molecular mechanisms of cryoinjury could aid in the development of new strategies to enhance the effectiveness of the freezing of reproductive tissues. In this review, we focus on the pathways through which cryoinjury leads to cell death and propose novel approaches to enhance freezing efficacy based on signaling molecules.
Jeon, Hye Lyun;Yi, Jung-Sun;Kim, Tae Sung;Oh, Youkyung;Lee, Hye Jeong;Lee, Minseong;Bang, Jin Seok;Ko, Kinarm;Ahn, Il Young;Ko, Kyungyuk;Kim, Joohwan;Park, Hye-Kyung;Lee, Jong Kwon;Sohn, Soo Jung
Toxicological Research
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v.33
no.2
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pp.107-118
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2017
Although alternative test methods based on the 3Rs (Replacement, Reduction, Refinement) are being developed to replace animal testing in reproductive and developmental toxicology, they are still in an early stage. Consequently, we aimed to develop alternative test methods in male animals using mouse spermatogonial stem cells (mSSCs). Here, we modified the OECD TG 489 and optimized the in vitro comet assay in our previous study. This study aimed to verify the validity of in vitro tests involving mSSCs by comparing their results with those of in vivo tests using C57BL/6 mice by gavage. We selected hydroxyurea (HU), which is known to chemically induce male reproductive toxicity. The 50% inhibitory concentration ($IC_{50}$) value of HU was 0.9 mM, as determined by the MTT assay. In the in vitro comet assay, % tail DNA and Olive tail moment (OTM) after HU administration increased significantly, compared to the control. Annexin V, PI staining and TUNEL assays showed that HU caused apoptosis in mSSCs. In order to compare in vitro tests with in vivo tests, the same substances were administered to male C57BL/6 mice. Reproductive toxicity was observed at 25, 50, 100, and 200 mg/kg/day as measured by clinical measures of reduction in sperm motility and testicular weight. The comet assay, DCFH-DA assay, H&E staining, and TUNEL assay were also performed. The results of the test with C57BL/6 mice were similar to those with mSSCs for HU treatment. Finally, linear regression analysis showed a strong positive correlation between results of in vitro tests and those of in vivo. In conclusion, the present study is the first to demonstrate the effect of HU-induced DNA damage, ROS formation, and apoptosis in mSSCs. Further, the results of the current study suggest that mSSCs could be a useful model to predict male reproductive toxicity.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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