Impact du stress de la culture in vitro sur la survie et le transcriptome

Impact du stress de la culture in vitro sur la survie et le
transcriptome embryonnaire chez le bovin
« Entre adaptation et viabilité »
Thèse
Gaël Cagnone
Doctorat en Sciences Animales
Philosophiae Doctor (Ph.D)
Québec, Canada
© Gaël Cagnone, 2013

Résumé
Malgré l’amélioration des techniques de procréation médicalement assistée (PMA), les
données recensées depuis 40 ans montrent un faible taux de gestation après transfert
embryonnaire et une incidence élevée de certains syndromes périnataux. Parmi les causes de
l’insuccès de la PMA, les conditions de culture de l’embryon sont sous-optimales pour le
développement normal précoce, occasionnant différents stress qui affectent la qualité de
l’embryon et sa compétence à produire une gestation. Afin de mieux comprendre l’impact de
la PMA sur la qualité embryonnaire, des analyses de micro-puce ont montré des
changements dans l’expression de plusieurs centaines de gènes chez les embryons produits
par culture in vitro en comparaison à ceux produits in vivo. Cependant, les changements
transcriptomiques spécifiquement associés à la baisse de qualité embryonnaire restent encore
indéterminés. En hypothèse, nous supposons que l’étude des différences transcriptomiques
résultant spécifiquement du stress de la culture permette de déterminer les profiles
d’expression génique directement associés à la mauvaise qualité des embryons en culture.
Dans ce contexte, nos objectifs consistaient à moduler le niveau de stress en culture afin
d’affecter la survie embryonnaire, puis de comparer les gènes différentiellement exprimés
entre embryons contrôles et embryons stressés (analyse par miro-puce et RT-qPCR). Pour ce
faire, l’exposition à un stress énergétique, oxydatif ou lipidique a été utilisée séparément
pour départager les différents effets de la culture sur le développement de l’embryon bovin.
Les résultats de ce projet ont mis en évidence l’impact progressif du stress énergétique en
culture sur le métabolisme de l’effet Warburg, un processus développemental permettant une
adaptation pathologique aux dysfonctions mitochondriales. Par la suite, l’impact du stress
oxydatif a révélé des réactions inflammatoires et fibrotiques en association à la baisse de
qualité embryonnaire. Enfin, l’impact du sérum et des lipides s’est traduit par un profil
indiquant des perturbations inflammatoires et métaboliques, complétant notre étude des
mécanismes impliqués dans la réponse au stress de la culture. En conclusion, ce projet a
permis de caractériser des bio-marqueurs récurrents du stress embryonnaire chez le bovin,
ouvrant à des perspectives du diagnostique de la viabilité embryonnaire et du développement
d’alternatives pour mieux cultiver les embryons précoces.

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Abstract
For 40 years, assisted reproductive technologies have given life to millions of offspring
(human and others mammals), however numerous studies have reported lower gestational
survival after embryo transfer and higher risk of perinatal syndromes. One reason for ART
disappointment is the lower quality of produced embryos as a result of suboptimal condition
of in vitro culture (IVC). In vitro environment induces stresses that affect viability and then
gestational competence. To better understand the impact of ART on embryo quality in the
bovine, transcriptomic analyses have detected differential expression in hundreds of genes in
IVC embryos compared to theirs in vivo counterparts. However, how the differentially
expressed genes translate into developmentally compromised embryos is unresolved. Here,
we hypothesized that analyzing the gene expression specifically associated to increased
stress conditions of in vitro culture could identify the transcriptomic signature associated
with the compromised quality of ART-derived embryos. Therefore, our strategy used
microarray technology to characterize transcriptomic markers expressed by bovine
blastocysts cultured in conditions which are known to impair embryo development. Separate
exposure to high glucose stress, oxidative stress and high lipid stress conditions were used to
exaggerate the IVC impact on embryo viability in the bovine model. Results highlighted the
progressive impact of energetic stress on the Warburg metabolism, a developmental process
that allows pathological adaptation to mitochondrial dysfunction. In addition, the analysis of
embryonic response to oxidative stress showed the implication of inflammatory and fibrosis-
like reaction to pro-oxidant exposure, and the association with embryonic quality. Finally,
our last study showed the impact of serum and lipids on both metabolic and inflammatory
response, complementing the identification of the developmental mechanisms underlying the
stress response to sub-optimal IVC conditions. To conclude, we have characterized
biomarkers of embryonic stress in the bovine, offering perspectives in the diagnostic of
embryonic viability and the development of alternatives to ameliorate the culture conditions
for early embryos.