The foundation of maternal factors in sturgeon: from oocyte to embryo

MSc. Kseniia Kostyantynivna POCHERNIAIEVA

Doctoral thesis

Abstract:

The effective application of embryo engineering to endangered sturgeon species requires fundamental knowledge of its embryonic development and information about structure and characteristics of sturgeon oocyte itself. To reveal intracellular geometry, mechanisms of maternal determinants organization and its later reorganization and morphogenetic aspects we used several techniques such as qPCR tomography, inhibition of transcription and visualization of nucleuos. The qPCR tomography was discovered as reliable technique to determine the role of the genes detected in the animal and vegetal hemispheres of the sturgeon oocyte, and to identify profiles of these genes during early developmental stages of sturgeon embryos. The 12 selected maternal genes were investigated. Two groups of transcriptomes categorized as animal or vegetal with evident gradient profile were identified. The primarily germplasm markers such as dnd, vasa, ddx25 were localized toward the extreme vegetal pole. This finding reveals localization of primordial germ cells in the body plan of the sturgeon oocyte. Another aspect of applying such technique was comparative analysis of RNA profiles in the oocyte of distantly-related species Xenopus laevis and Acipenser ruthenus. We found clear similarity in the localization of mRNA molecules in Acipenser ruthenus and Xenopus laevis, which revealed significant aspects of early development that have been conserved during evolution. Such similarities in expression profiles of distantly related species indicate that their ancestors could have arisen from more closely related lineages. The maternal to zygotic transition (MZT) is a separate developmental period that begins with the elimination of maternal transcripts, continues through the production of zygotic transcripts, and concludes with the first major morphological requirement for zygotic transcripts in embryo development.The alpha-Amanitin as transcript inhibition factor was used to determine the zygotic genome switch in sterlet embryos. The transition in sterlet was observed after the tenth cleavage during late blastula, when blastomeres in the animal pole are surpassed 1000 cells. Mid-blastula transition (MBT) in early embryogenesis can be defined as a time point characterized by cell cycle lengthening, loss of synchrony and acquisition of cell motility. We opted to use oocytes of crosses sterlet A. ruthenus and Russian sturgeon Acipenser gueldenstaedtii, since the hybridization results in increased DNA content in their hybrid offspring compared to parental species A. ruthenus making the embryo a useful model for investigation of changes in the timing of early development. Nucleous vizualization by 4'-6-diaminido-2-phenylindole (DAPI) staining showed that cells divided synchronously at a constant rate until MBT at the ninth cell cycle in control sterlet embryos that corresponds to 1000 cell stage (13 hpf). The sterlet x Russian sturgeon hybrid embryos showed transition from synchronous to asynchronous division at the eighth cell cycle which is the 512 cells stage (12 hpf). In both sterlet and hybrid embryos, the transition occurred within 1 h. Thus, our study confirmed hypothesis the MBT in sturgeon is governed by the ratio of nucleus to cytoplasm, which can be controlled using hybridization, induction of polyspermy or injecting plasmid DNA Embryos of sturgeon injected with alpha-Amanitin also showed cell cycle kinetics similar to controls, with no delay or malformation during cleavage, which most likely indicates that MBT in the sturgeon proceeds independently of onset of zygotic transcripts production. The results and observations presented in this study demonstrate the path from an egg to a developed embryo, which are the basis for improving the production methods and preservation of sturgeons listed in the IUCN Red List, and which is equally important, provide the fundamental knowledge about the nature of sturgeons.

Abstract:

Pokles početnosti divokých populací jesetera v posledních desetiletích vedl k rostoucímu zájmu o využití různých biotechnologických postupů vedoucích k ochraně nebo obnově těchto ohrožených druhů. Produkce chimér, transplantace zárodečných buněk nebo produkce pomocí tzv. "náhradního rodiče" by mohly rozšířit spektrum technik používaných k záchraně druhu či vést k obnově rybích populací. Úspěšná aplikace těchto metod u jeseterů vyžaduje znalost jeho embryonálního vývoje a informace o struktuře a charakteristikách samotného jeseteřího oocytu. K odhalení intracelulární geometrie, morfogenetických aspektů, mechanismů organizace mateřských determinantů a jejich pozdější reorganizace byly v rámci této práce použity techniky qPCR tomografie, inhibice transkripce a vizualizace jader. qPCR tomografie se ukázala jako spolehlivá technika pro stanovení úlohy genů detekovaných v animalní a vegetativní hemisféře oocytů jesetera a také pro identifikaci profilů těchto genů u ranných vývojových stádií embryí jesetera. qPCR tomografie byla v zásadě provedena ve dvou krocích: předběžné kroky tomografie a samotná RT-PCR. Optimálně orientované oocyty byly rozřezány na 30 ?m a sekce (prokrývající jak animalní tak vegetativní pól), u který byla následně provedena celková extrakce RNA. 12 vybraných maternálních genů: [actb, ppia, alas1, sdha, ywhae, dnd, vasa, vegt, wnt11, ddx25, otx1 a gdf1] bylo sledováno pomocí RT-PCR. Identifikovány byly dvě skupiny transkriptů klasifikovaných jako animalní nebo vegetativní geny s jasným gradientem. Primární geny zárodečné plasmy - markery jako dnd, vasa, ddx25 byly lokalizovány směrem k vegetativnímu pólu. To vysvětluje, kde presně se nachází prapohlavní zárodečné buňky v oocytech jesetera malého. Dalším aspektem použití této techniky byla srovnávací analýza profilů RNA v oocytech drápatky Xenopus laevis a jesetera malého Acipenser ruthenus. Byla zjištěna jednoznačná podobnost v lokalizaci molekul mRNA u těchto dvou druhů. Takovéto podobnosti v expresních profilech vzdáleně příbuzných druhů naznačují, že jejich dávní předkové mohli vzniknout z více příbuzných linií. alpha-Amanitin jako transkripční inhibiční faktor byl použit ke stanovení zygotického genomového přechodu v embryích jesetera malého. Přechod z mateřského na zygotický typ transkripce je charakterizován eliminací mateřských transkriptů a pokračuje produkcí zygotických transkriptů. U jesetera malého byl tento přechod identifikován po desátém štěpení - během pozdní blastuly, kdy počet buněk v blastomeře překročil 1000. Morfologické změny během přechodu mid-blastuly představují milníky ve vývoji metazoanů, protože každá buňka přenáší perfektní kopii svého genomu v každé divizi. Embrya vzniklá křížením jiker jesetera malého A. ruthenus a spermatu jesetera ruského Acipenser gueldenstaedtii druhů s odlišnou ploidní úrovní byla vytvořena za účelem zvýšení obsahu DNA v jádrech buněk. Nukleární vizualizace barvením 4'-6-diaminido-2-fenylindolem (DAPI) ukázala, že se buňky dělí synchronně konstantní rychlostí až do MBT v devátém buněčném cyklu u kontrolních embryí, která odpovídají 1000 buněčnému stadiu (13 hpf). Hybridní embrya jesetera malého a ruského vykazovala přechod od synchronního k asynchronnímu dělení v osmém buněčném cyklu, což je stadium 512 buněk (12 hpf). U jesetera malého i hybridních embryí došlo k přechodu během 1 hodiny. Embrya jesetera injikovaného alpha-Amanitinem také vykazovala kinetiku buněčného cyklu podobnou kontrolám, a to bez zpoždění nebo malformace během štěpení, což s největší pravděpodobností naznačuje, že MBT u jesetera probíhá nezávisle na začátku produkce zygotických transkriptů.

Keywords

Jeseter, Jeseter malý, Acipenser ruthenus, Ruský jeseter, Acipenser gueldenstaedtii, Drápatka vodní, Xenopus laevis, Oocyt, Embryo, qPCR, Lokalizace RNA, Animalní hemisféra, Vegetativní hemisféra, Zárodečné buňky, Buněčný cyklus, DAPI, alpha-Amanitin, Synchronizace, Aktivace zygotického genomu, Přechod mid-blastuly

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 8. 9. 2020

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Vojtěch Kašpar, Ph.D.

UNIVERSITY OF SOUTH BOHEMIA IN ČESKÉ BUDĚJOVICE

Faculty of Fisheries and Protection of Waters

Doctoral programme / field:
Zootechnics / Fishery