Úloha některých proteinů při zmrazování spermatu ryb

MSc. MiaoMiao XIN

Doctoral thesis

The role of some proteins in freezing fish sperm

Abstract:

Sperm damage during cryopreservation is considered a major obstacle to the expansion of sperm storage technology in fish. In-depth knowledge of cryoinjury and cryoprotectants with respect to the quality of fish sperm can enhance future use of cryopreservation. We used antifreeze proteins as cryoprotective agents to improve the quality of frozen/thawed spermatozoa, along with optimization of cryopreservation protocols. Reviews vitrification, a promising cryopreservation technique for fish sperm storage. Vitrification requires rapid cooling/warming, small volume containers, and use of permeable cryoprotectants at high concentrations to solidify both intra- and extra-cellular materials. While high concentration of cryoprotectant show toxicity to cells. The quantity of permeable cryoprotectant can be reduced or eliminated by use of apparatus or techniques that dramatically increase freezing and warming rates by treating a much smaller quantity of sperm. Thus, vitrification may be more suitable for fish producing small quantities of highly concentrated sperm, but not sturgeon producing high quantities of sperm with low concentration. As second aim of the present study, proteomic methods were applied to characterize the protein profiles of sterlet spermatozoa and seminal plasma and assess their effect on spermatozoa function in conventional cryopreservation. The motility variables of cryopreserved sterlet sperm were also investigated. The motility rate of sterlet sperm significantly decreased after cryopreservation, while no difference in mean curvilinear velocity of fresh and cryopreserved sperm was detected. Six proteins were altered in seminal plasma and thirteen in spermatozoa following cryopreservation. Among them, eight proteins were positively identified: a) two (mitochondrial ATP synthase subunit alpha and heat shock protein 70) were from seminal plasma, associated with metabolism and response to stress; b) four (triosephosphate isomerase, mitochondrial ATP synthase subunit ?, glycerol-3-phosphate dehydrogenase [NAD(+)], enolase B) in spermatozoa are involved in metabolic pathways such as gluconeogenesis and glycolysis to provide efficient energy for spermatozoon movement; c) the other two (tubulin ? chain and tubulin ? chain, testis-specific) in spermatozoa are major constituents of sperm microtubules, playing important roles in the organization of the microtubule cytoskeleton. These results broaden the understanding of protein-related cryoinjury in sperm, which may help to determine the function of altered proteins and provide new insights into improving sperm cryopreservation. Since cryopreservation is known to cause lethal and sublethal damage to sperm, different concentrations of antifreeze proteins (AFPI or AFPIII) were employed as cryoprotectants. The flow cytometry analysis revealed that supplementation with antifreeze proteins was associated with significantly higher membrane integrity in cryopreserved sterlet sperm, except with the use of 0.1 ?g/ml of AFPI. However, motility rate, curvilinear velocity, straight-line velocity, and fertilization rate of frozen-thawed sperm did not differ from that without addition of antifreeze proteins. It was concluded that addition of antifreeze proteins to cryopreservation medium was the source of the protective effects on sperm plasma membrane integrity.

Abstract:

Poškození spermií během kryokonzervace je považováno za hlavní překážku expanze technologie uchovávání spermatu ryb. Precizní znalost kryokonzervace spermatu a kryoprotektantů s ohledem na kvalitu rybích spermií může rozšířit budoucí využívání této technologie. Pro zlepšení kvality zmrazených a rozmrazených spermií byly použity antifreeze proteiny jako kryoprotektivní látky spolu s optimalizací protokolů kryokonzervace. Nejprve byla popsána vitrifikace jako slibná kryokonzervační technika pro uchovávání rybích spermií. Tradiční vitrifikace vyžaduje prudké zmrazení/rozmrazení, malé nosiče vzorků s použitím permeabilních kryoprotektantů o vysokých koncentracích, a to k vitrifikaci jak intra, tak extracelulárních kapalin. Nicméně vitrifikace rybích spermií je nepoužitelná v praktické akvakultuře, protože se používají permeabilní kryoprotektanty s cytotoxickými účinky na buňky. Množství permeabilního kryoprotektantu však může být sníženo nebo eliminováno použitím zařízení nebo technik, které dramaticky zvyšují míru zmrazení/rozmrazení ošetřením mnohem menšího množství spermií. Vitrifikace může být tudíž vhodnější pro ryby produkující malé množství koncentrovaného spermatu, ale není vhodná u jeseterů produkujících velké množství spermií s nízkou koncentrací ve srovnání s kostnatými rybami. Dále byly využity proteomické metody pro charakterizaci proteinového profilu u spermií a v semenné plazmě a studován jejich vliv na funkci spermií při konvenční kryokonzervaci. Dále byly zkoumány změny v motilitě spermií jesetera malého během kryokonzervace. Míra motility spermií jesetera malého významně poklesla po kryokonzervaci spermatu, kdežto u čerstvých a zmrazených spermií nebyl zjištěn rozdíl v průměrné nelineární rychlosti. Změna v proteinovém profilu po zmrazení byla zaznamenána celkem u šesti proteinů v semenné plazmě a u třinácti v případě spermatu. Mezi nimi bylo pozitivně identifikováno osm proteinů: a) dva (mitochondriální podjednotka ATP syntházy alfa a protein tepelného šoku 70) pocházející ze semenné plazmy, spojené s metabolismem a odpovědí na stres; b) čtyři (triosefosfát izomeráza, mitochondriální ATP syntházová podjednotka ?, glycerol-3-fosfátdehydrogenáza [NAD (+)], enolasa B) ve spermiích se podílejí na metabolických drahách jako je glukoneogeneze a glykolýza a zajišťují účinnou energii pro pohyb spermie; c) další dva (řetězec ? tubulinu a řetězec tubulinu ?, specifický pro testes) ve spermiích jsou hlavními složkami mikrotubulů spermií, které hrají důležitou roli v organizaci cytoskeletu mikrotubulu. Dosažené výsledky rozšiřují znalosti v proteinovém složení spermatu během kryokonzervace, souvisejících s jejich poškozením během zmrazení, což může pomoci určit funkci těchto změněných proteinů a poskytnout nové představy o tom, jak zlepšit kryokonzervaci spermií. Je známo, že kryokonzervace způsobuje letální a subletální poškození spermií, proto byly dále použity během kryokonzervace různé koncentrace antifreeze nemrznoucích proteinů (AFPI nebo AFPIII) jako kryoprotektantů. Analýza průtokovou cytometrií ukázala, že přidáním nemrznoucích proteinů došlo významně ke zlepšení membránové integrity spermatu jeseterů malých po kryokonzervaci s výjimkou koncentrace 0,1 ?g/ml AFPI. Ve zmrazených spermiích s přídavkem nemrznoucích proteinů však nebylo pozorováno žádné statistické zlepšení rychlosti motility, nelineární rychlosti, lineární rychlosti a fertility ve srovnání se spermiemi bez přídavku nemrznoucích proteinů. Z toho vyplývá, že přidávání nemrznoucích proteinů do kryokonzervačního média poskytuje určité ochranné účinky integritě plazmatické membrány spermií.

Keywords

kryokonzervace, proteinový profil, nemrznoucí protein, sperma, jeseter

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 2. 9. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 19. 9. 2019
• Supervisor: prof. Ing. Otomar Linhart, DrSc.

UNIVERSITY OF SOUTH BOHEMIA IN ČESKÉ BUDĚJOVICE

Faculty of Fisheries and Protection of Waters

Doctoral programme / field:
Zootechnics / Fishery