Funkční regulace subcelulárního vápníku během gametogeneze ryb

MSc. Amin GOLPOUR DEHSARI

Doctoral thesis

Functional regulation of subcellular calcium during fish gametogenesis

Abstract:

Changes in the characteristics of spermatogenic and oogenic cells during gametogenesis may reflect a corresponding alteration in aspects of components such as calcium, which plays prominent roles in regulating a broad range of physiological events in animal reproduction. Basic information regarding distribution of intracellular calcium in different germ cells may provide better understanding of processes of reproduction in fish. The monthly testicular development in the cultured breeding stock of sterlet, Acipenser ruthenus, using histological and serum sex steroid was studied. Results showed four distinct phases including resting, pre-spawning, spawning and post-spawning. Hormonal profiles of 11-ketotestosterone (11-KT) showed peak, which indicated a seasonal pattern of gonadal development. The 11-KT concentration increased considerably during the spermatogenesis (pre-spawning phase) and remained quite high throughout the pre-spermiation period. In the final phase of testicular development (spawning phase), the 11-KT markedly dropped. This study provides basic knowledge of the reproductive biology in male sterlet and a complete guide for gonadal development, heretofore lacking in previous studies of sturgeon gonadal development. The intracellular distribution of calcium during different developmental stages of spermatogenesis was studied in sterlet, A. ruthenus, using a combined oxalate-pyroantimonate technique. The distribution of calcium was described in spermatogonium, spermatocyte, spermatid, and spermatozoon stages. Although calcium is appeared in the form of deposits in limited areas of the early stages cells (spermatogonium and spermatocyte), it is present as an unbound form in larger areas of spermatids and spermatozoa especially nucleus, which probably reflects changes in its physiological function and homeostasis of calcium during male gamete production. Similar to sterlet sturgeon, ultrastructural distribution of calcium during different developmental stages of spermatogenesis was described in a model organism, zebrafish (Danio rerio), using a combined oxalate-pyroantimonate technique. The subcellular distribution of intracellular calcium was detected as deposits mainly in the cytoplasm and the nucleus of the spermatogonium and spermatocyte. Interestingly, large amount of calcium was transformed from isolated deposits into an unbound pool (electrondense mass) within the nucleus of the spermatid and the spermatozoon. The alteration of intracellular calcium at different stage of D. rerio spermatogenesis can be related to specific function of each germ cell types during male gamete development. Unbound calcium in the nucleus of mature spermatozoon can be used for condensation of chromatin and induction of calcium wave during egg activation and fertilization. Using a combined oxalate-pyroantimonate technique, the subcellular distribution of calcium deposits during stages of oogenesis in zebrafish was described. Calcium deposits were localized at different organells within the egg during oocyte development. At the first stage of oocyte development (primary growth), calcium deposits were localized in the cytoplasm, mitochondria, nucleus, and follicular cells. At the cortical-alveolus stage, calcium particles were transported from follicular cells into the cortical alveoli. In the main stage of oocyte development (vitellogenic stage), some cortical alveoli were compacted and transformed from flocculent electron-lucent to electron-dense objects with the progression of the stage. Calcium deposits were transformed from larger to smaller particles, coinciding with compaction of cortical alveoli. As a conclusion, results of this study provide new and convergent insight into information about the regulation and functional roles of calcium during fish gametogenesis which simply describe facilitate release of calcium from related organelles (nucleus and cortical alveoli) as main internal stores of calcium for calcium transport.

Abstract:

Změny ve vlastnostech samčích a samičích pohlavních buněk v průběhu gametogeneze mohou reflektovat změny v prvcích jako je vápník, který hraje významnou roli v regulaci mnoha fyziologických událostí při rozmnožování. Základní informace jako distribuce a lokalizace vápníku v různých typech zárodečných buněk mohou přinést lepší porozumění procesu reprodukce u ryb. Testikulární vývoj u generačních ryb jesetera malého (Acipenser ruthenus) byl studován v měsíčních intervalech prostřednictvím histologie a měření hladin sex hormonů. Výsledky identifikovaly čtyři různé fáze zahrnující klidové, předvýtěrové, výtěrové a povýtěrové období. Hormonální profily 11-ketatestosteronu (11-KT) byly charakteristické vrcholem, který indikoval sezónní model vývoje gonád. Koncentrace 11-KT byly značně zvýšeny v průběhu spermatogeneze (před výtěrová fáze) a zůstaly stále vysoké i během před spermiačního období. Při reprodukční fázi došlo k markantnímu snížení 11-KT. Tato studie dává představu o základních znalostech reprodukční biologie u samců jesetera malého a kompletně popisuje vývoj gonád, který nebyl popsán v přechozích studiích zaměřených na vývoj gonád jeseterů. Intracelulární distribuce vápník během různých vývojových fází spermatogeneze byla studována u jesetera malého pomocí kombinované oxalát-pyroantimonát techniky. Distribuce vápníku byla popsaná ve stádiích spermatogonie, spermatocytu, spermatidy a spermie. Distribuce vápníku byla popsaná ve stádiích spermatogonie, spermatocytu, spermatidy a spermie. Vápník byl lokalizován jako depozity vyskytující se převážně v jádru a cytoplazmě spermatogonie a spermatocytu. Ačkoliv se vápník vyskytl ve formě depozitů v několika omezených oblastech u raných stádií buněk (spermatogonie a spermatocyt), je přítomný v nevázané formě ve větších oblastech u spermatid a spermií, především pak jádru, což pravděpodobně reflektuje jeho fyziologickou funkci a homeostázu během gametogeneze u samců. Podobně jako u jesetera malého byla popsána ultrastrukturální distribuce vápníku během vývojových stádií spermatogeneze u modelového organismu dánia pruhovaného (Danio rerio), pomocí kombinované oxalát-pyroantimonát techniky. Subcelulární distribuce vnitrobuněčného vápníku byla detekována jako depozity nacházející se především cytoplazmě a jádru spermatogonie a spermatocytu. Zajímavostí je, že velké množství vápníku bylo transformováno z izolovaných depozitů do nevázané struktury (elektrondezní hmota) uvnitř jádra spermatidy a spermie. Úprava vnitrobuněčného vápníku během různých stádií spermatogeneze u dánia může být v souvislosti se specifickou funkcí různých typů zárodečných buněk během vývoje samčích gamet Nevázaný vápník v jádru zralých spermií může být použit pro kondenzaci chromatinu a spuštění vápníkové vlny v průběhu aktivace vajíčka oplození. Použitím kombinované oxalát-pyroantimonát techniky byla popsána subcelulární lokalizace depozit vápníku v průběhu oogeneze u dánia. Depozity vápníku byly lokalizovány uvnitř různých organel vajíček během vývoje oocytů. V prvním stádiu vývoje oocytů (primární růst), byly depozity vápníku lokalizovány v cytoplazmě, mitochondriích, jádru a folikulárních buňkách. V kortikálně alveolárním stádiu byly částice vápníku transportovány z folikulárních buněk do kortikálních alveol. V hlavním stádiu vývoje oocytů (vitelogenní stádium) byly některé kortikální alveoly stlačeny a přeměněny z vločkovitých elektron-Lucent na elektron-denzní objekty s progresí fázi. Depozity vápníku byly přeměněny z větších na menší částice, což se shoduje se stlačením kortikálních alveol. Výsledky těchto studií pos

Abstract:

kytují nový nahlédnutí na informace o regulaci a funkční roli vápníku v průběhu gametogeneze u ryb. Během raných fází gametogeneze je většina vnitrobuněčného vápníku oddělena v izolovaných depozitech za účelem udržet hladinu nevázaného vápníku na vyhovujících hladinách a zároveň zabránit smrti buněk a dalším negativním vlivům, které mohou být způsobeny vysokým obsahem nevázaného vápníku.

Keywords

vápník, oxalát-pyroantimonát, oocyty, subcelulární lokalizace, spermie

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 31. 8. 2017

Thesis defence

UNIVERSITY OF SOUTH BOHEMIA IN ČESKÉ BUDĚJOVICE

Faculty of Fisheries and Protection of Waters

Doctoral programme / field:
Zootechnics / Fishery