Novel Biomarkers for metabolic inheritance of obesity through male gametes

Abstract

Obesity-related genes (ORG) have been pointed out as causes for an overweight/obese phenotype, suggesting that children born from obese parents could have a genetic predisposition to develop metabolic disorders. This project aimed to unveil molecular mechanisms related with the inheritance of an overweight/obese phenotype through sperm. We hypothesized that ORG, Melanocortin-4 receptor (MC4R), Fat mass and obesity (FTO), Glucosamine-6-phosphate deaminase 2 (GNPDA2), and Transmembrane protein 18 (TMEM18) were present and could have a role in Sertoli cells (SCs) and sperm physiology. In addition, we also proposed that ORG expression was important for embryo development, being correlated with pregnancy rates in couples seeking paternity through medical-assisted reproduction treatments. We identified the expression of MC4R, TMEM18, GNPDA2, FTO, and respective proteins, in human SCs. We further identified the expression of MC4R, GNPDA2, FTO, and respective proteins, in human spermatozoa. First, we evaluated if ORG expression in SCs responded to hormonal dysregulation associated with obesity. SCs were treated with increasing doses of obesity-related hormones, leptin, ghrelin, and glucagon-like protein 1 (GLP-1), mimicking the hormonal levels reported in undernourished, normal, obese and severely obese individuals. The expression of GNPDA2 and TMEM18 was increased after exposure to the highest concentration of leptin and ghrelin, respectively. Afterward, we investigated if the abundance of ORG could be associated with the overweight/obesity effects in sperm quality and embryo development. Paternal age and body mass index were not correlated with the abundance of ORG in spermatozoa. However, the expression MC4R and FTO was correlated with sperm quality through sperm viability (r=-0.3111) and total sperm count (r=0.5042), respectively. Furthermore, the expression of FTO was also correlated with embryo quality, particularly with the fertilization rate (r= 0.4751), embryo cleavage rate (r= 0.6530), and high-quality embryo rate (r= 0.6544). The expression of MC4R in spermatozoa was also correlated with the biochemical pregnancy rate (r= 0.4502), a parameter that is associated with the initiation of the implantation process by the embryo. In sum, the abundance of ORG in spermatozoa was associated with relevant parameters of sperm quality and with the clinical success of assisted reproduction techniques. Further studies are necessary to unveil the role of these ORG in spermatozoa and Sertoli cells.

Os genes relacionados à obesidade (ORG) têm sido apontados como causas de um fenótipo de sobrepeso e/ou obesidade, sugerindo que crianças nascidas de pais obesos possuem uma maior predisposição para desenvolver distúrbios metabólicos. Este projeto investigou mecanismos moleculares relacionados com a transmissão de um fenótipo de sobrepeso e/ou obesidade. Foi colocada a hipótese de que os ORG, recetor de melanocortina-4 (MC4R), gene de obesidade e de massa de gordura associada (FTO), glucosamina-6-fosfato deaminase 2 (GNPDA2) e proteína transmembranar 18 (TMEM18) são fatores importantes nas células de Sertoli (SCs) e espermatozoides. Propusemos também que a expressão destes ORG poderia estar relacionada com o desenvolvimento embrionário e taxa de gravidez de casais em tratamentos de reprodução medicamente assistida. Neste trabalho, identificamos a expressão de FTO, MC4R, TMEM18 e GNPDA2 e respetivas proteínas em SCs humanas. Identificamos ainda a expressão de FTO, MC4R, GNPDA2 e respetivas proteínas em espermatozoides humanos. De seguida, avaliamos se a expressão de ORG nas SCs respondia a hormonas associadas à obesidade, tratando as células com doses crescentes de leptina, grelina e glucagon-like protein (GLP-1), mimetizando níveis hormonais relatados em indivíduos desnutridos, normais, obesos e gravemente obesos. A expressão de GNPDA2 e TMEM18 aumentou após tratamento das SCs com as concentrações mais elevadas de leptina e grelina, respetivamente. De seguida, investigamos se a expressão de ORG poderia estar relacionada com a qualidade espermática e o desenvolvimento do embrião. Verificamos que a idade paterna e o índice de massa corporal (BMI) não se correlacionam com a expressão de ORG em espermatozoides. No entanto, a expressão de MC4R e FTO está correlacionada com a viabilidade espermática (r= -0.3111) e contagem total de espermatozoides (r=0.5042), respetivamente. A expressão de FTO está também correlacionada com a qualidade do embrião, particularmente com a taxa de fertilização (r= 0.4751), a taxa de clivagem do embrião (r= 0,6530) e a taxa de embriões de alta qualidade (r= 0.6544). A expressão de MC4R nos espermatozoides também está correlacionada com a taxa de gravidez bioquímica (r= 0.4502), um parâmetro associado ao início do processo de implantação pelo embrião. Em suma, a abundância de ORG no espermatozoide mostrou estar associada a parâmetros relevantes da qualidade do esperma e associada ao sucesso clínico das técnicas de reprodução medicamente assistida. No entanto, mais estudos são necessários para desvendar o papel desses ORG nos espermatozoides e SCs.