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Mitko, Katrin Gabriele (2008): Dynamic transcriptome profiling of bovine endometrium during the oestrous cycle. Dissertation, LMU München: Faculty of Veterinary Medicine
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Abstract

Fertility problems are the main reason for slaughter of high-performance milk cows, because prolonged calving intervals result in financial losses for the farmer and retard genetic progress. Genetic improvement of fertility would be of great benefit, but functional traits for effective selection are missing. Recent advances in functional genomics tools like DNA microarrays could be the key to identify gene expression patterns in the endometrium that correlate with maternal fertility. Therefore, a bovine oviduct and endometrium cDNA array was established that contains a set of 1,440 cDNA clones and long oligonucleotides representing 950 different genes. The major part of these genes results from a series of differential gene expression studies in endometrium (different stages of the oestrous cycle, day 18 and day 15 pregnant vs. nonpregnant) and oviduct epithelial cells (different stages of the oestrous cycle). Using this custom-made cDNA array the response of the endometrium was studied to the changing hormonal environment during the bovine oestrous cycle. Endometrium samples were recovered from Simmental heifers slaughtered on day 0 (oestrus), 3.5 (metoestrus), 12 (dioestrus) and 18. The latter group was divided into animals with high (late dioestrus) and low progesterone levels (preoestrus). Statistical analysis with the Significance Analysis of Microarrays (SAM) method revealed 269 genes exhibiting significant changes in their transcript levels during the oestrous cycle in distinct temporal patterns. Two major types of expression profiles were observed, which showed the highest mRNA levels during the oestrus phase or the highest levels during the luteal phase, respectively. A minor group of genes exhibited the highest mRNA levels on day 3.5. Gene ontology (GO) analyses revealed GO categories related to extracellular matrix remodelling, transport, and cell growth and morphogenesis enriched at oestrus, whereas immune response and particular metabolic pathways were overrepresented at dioestrus. Generation of gene interaction networks uncovered genes possibly involved in biological processes important for establishment of early pregnancy, such as endometrial remodelling (e.g. collagen genes, MMP2, TIMP1), regulation of angiogenesis (e.g. ANGPTL2, TEK), regulation of invasive growth (e.g. PCSK5, tight junction proteins, ITGB4), cell adhesion (e.g. MUC16, LGALS3BP) and embryo feeding (e.g. SLC1A1, ENPP1). Localisation of mRNA expression in the endometrium was analysed for CLDN4, CLDN10, TJP1, PCSK5, MAGED1, and LGALS1. Future application of the BOE array, based on the knowledge from the cycle study, could be the use in systematic studies of interactions between the metabolic status and functionality of the endometrium to identify genes that could be used for differential diagnosis of fertility problems.

Abstract

Fruchtbarkeitsprobleme sind die Hauptursache für die Schlachtung von Hochleistungs-Milchkühen, da verlängerte Zwischenkalbezeiten finanzielle Verluste für den Tierhalter und eine Verzögerung des Züchtungsfortschrittes bedeuten. Eine positive züchterische Beeinflussung der Fruchtbarkeit wäre von großem Vorteil, ist aber derzeit nicht möglich, da Funktionsparameter für eine effektive Selektion fehlen. Die neuesten Fortschritte im Bereich der funktionalen Genomanalyse, wie z.B. DNA-Microarrays könnten der Schlüssel zur Identifizierung von Genexpressionsmustern im Endometrium, die mit der maternalen Fertilität korrelieren, sein. Daher wurde ein bovines Ovidukt- und Endometrium-cDNA-Array entwickelt, welches ein Set von 1.400 cDNA-Klonen und langen Oligonukleotiden enthält, die 950 unterschiedliche Gene repräsentieren. Der Großteil dieser Gene stammt aus einer Folge von verschiedenen Genexpressionsstudien im Endometrium (verschiedene Zyklusstadien, Tag 18 und Tag 15 trächtig vs. nichtträchtige Tiere) und in Eileiterepithelzellen (verschiedene Stadien des Sexualzyklus). Mit Hilfe dieses selbst hergestellten cDNA-Arrays wurde die Reaktion des Endometriums auf die sich verändernden Hormonspiegel während des bovinen Sexualzyklus auf der Ebene der mRNA untersucht. Endometriumproben wurden von Färsen der Rasse Simmentaler Fleckvieh gewonnen, die am Zyklustag 0 (Östrus), 3,5 (Metöstrus), 12 (Diöstrus) und 18 geschlachtet wurden. Die letzte Gruppe wurde unterteilt in Tiere mit hohem (später Diöstrus) oder niedrigen Blutprogesteronwerten (Proöstrus) zum Schlachtzeitpunkt. Statistische Analysen mit der SAM-Methode (Significance Analysis of Microarrays) ergaben 269 Gene, deren mRNA-Konzentrationen sich während des Zyklus in ausgeprägten zeitlichen Mustern veränderten. Zwei Haupttypen von Expressionsmustern wurden beobachtet, die ihre höchsten mRNA-Spiegel entweder während des Östrus oder der Lutealphase haben. Eine kleinere Gruppe von Genen zeigte die höchsten mRNA-Spiegel an Tag 3,5. Gene Ontology (GO) Analysen ergaben während des Östrus angereicherte GO-Kategorien, die mit dem Umbau der extrazellulären Matrix, Transportprozessen, Zellwachstum und –umwandlung in Zusammenhang stehen, während im Diöstrus Kategorien wie Immunantwort und bestimmte Stoffwechsel-Pathways überrepräsentiert waren. Mit Hilfe der Erstellung von Interaktionsnetzwerken wurden Gene identifiziert, die in biologische Prozesse involviert sind, welche für die Aufrechterhaltung der frühen Trächtigkeit wichtig sein könnten. Zu diesen Prozessen gehören der Umbau des Endometriums (z.B. Kollagene, MMP2, TIMP1), die Regulierung der Angiogenese (z.B. ANGPTL2, TEK), die Regulierung von invasiven Wachstumspozessen (z.B. PCSK5, Tight junction Proteine, ITGB4) und die Ernährung des Embryos (z.B. SLC1A1, ENPP1). Zur weiteren Charakterisierung ausgewählter Gene wurde die Lokalisation der mRNA Expression im Endometrium für CLDN4, CLDN10, TJP1, PCSK5, MAGED1 und LGALS1 untersucht. Basierend auf den Ergebnissen der dynamischen Expressionsstudie während des Zyklus könnten ein zukünftiges Anwendungsgebiet des BOE-Arrays systematischen Studien von Interaktionen zwischen dem metabolischen Status und der Funktionalität des Endometriums sein, um Gene zu finden, die zur Differentialdiagnostik bei Fruchtbarkeitsproblemen genutzt werden können.