Lactic acid mediated blastocyst development competence

Abstract

Developing preimplantation embryos require appropriate microenvironment and specific gene expression in each stage to acquire proper developmental capacity. Carbohydrate as energy sources during early stage mouse embryos is well established. Until 8-cell stage, embryos use pyruvate as a main energy source. Specifically, glucose is utilized after 8-cell stage and produce lactate highly, although oxygen presence as enough. So far, lactate is suggested as end product of glycolysis in early stage embryo. However, recent studies suggest new role of lactate such as signaling molecule, gene regulation, and so on. In this study, the possible role of lactate was explored through the evaluate expression of lactate dehydrogenases (LDHs) that catalyze interconversion of lactate to pyruvate. The cultured embryo in lactate-free condition (L(-)) showed delayed development than control group. As in vivo or in vitro embryo development, relative mRNA ratio of Ldha that prefers catalyzing pyruvate to L-lactate increased than other LDHs. In addition, ratio switching timing was later in lactate-free cultured embryos than in BWW-cultured embryos and in vivo embryos. Even at the protein level, as embryo development, relative ratio of LDHA increased than others. Also, such timing was later in L(-) cultured embryos than other groups. In Ldh knockdown experiments with siRNA microinjection, the L(-) cultured embryo with Ldha-siRNA injection showed low development rate to 8-cell, compacted morula and blastocyst. Based on these results, LDHs expression levels could be modified by the environment and be adapt for the development. Also, data suggests that appropriate production and use of lactate is required for normal embryonic development. These data suggested that lactate metabolism is essential in developmental competence during early embryo stages.|초기 배아 발생 동안, 적절한 대사 활동은 환경에 대한 적응 및 건강한 배아 발생을 위해 요구된다. 이 과정에서 생산되는 대사 물질에 대한 연구는 배아 발생을 이해하는데 중요하다. 초기 마우스 배아 발생 과정에서, 배아는 8-세포기까지 피루브산을 주된 에너지원으로 사용한다. 흥미롭게도 8-세포기 이후에 피루브산-기반 신진대사는 포도당-기반 신진대사로 전환되며, 산소가 풍부한 환경에서 젖산의 생산이 급격히 증가한다. 과거에 젖산은 해당과정의 최종 산물로 여겨졌다. 이에 대해, 최근 연구들은 신호전달 물질, 유전자 조절 등의 새로운 젖산의 역할을 제안하고 있지만, 초기 배아 내 젖산의 역할에 대한 연구는 매우 제한되어 있다. 본 연구에서는 젖산과 피루브산 간 전환에 관여하는 젖산탈수소효소(LDH)의 발현을 살펴봄으로써, 초기 배 발생에서의 젖산의 역할을 알아보고자 하였다. 젖산을 제거한 배양액(L(-))에서 배양된 배아는 단순 배양액(BWW)에서 배양된 배아에 비해 발생이 지연되는 모습을 보였다. I n vivo 또는 in vitro 배 발생 동안, 피루브산의 환원 작용을 선호하는 Ldha의 상대적인 mRNA 비율은 다른 Ldh보다 증가하는 모습을 보였다. 다른 Ldh에 대한 Ldha의 상대적인 비율이 증가하는 시기는 L(-) 조건에서 배양된 배아에서 가장 늦게 나타났다. 면역형광법을 통해 LDH subunit의 단백질 수준을 비교했을 때에도, 배아가 발생함에 따라, LDHA의 상대적인 비율이 다른 LDH subunit 보다 증가하는 모습을 보였다. siRNA 미세 주입을 통한 Ldh knockdown 실험에서, Ldha-siRNA가 주입된 배아를 L(-) 환경에서 배양했을 때, hCG 주사 후 72시간, 84시간, 96시간 째에 8-세포기, 상실배, 포배로의 발생률이 대조군에 비해 낮았다. 이러한 결과를 종합해보면, 젖산탈수소효소(LDH)의 발현은 환경에 대한 적응과 배아 발생에 적합하도록 달라질 수 있으며, 젖산의 적절한 생산과 이용이 초기 배아 발생에 있어 요구된다고 제안할 수 있다. 초기 배아 발생에서 젖산의 필수 역할을 확인하기 위한 추가 연구가 필요하지만, 이러한 데이터는 젖산 대사가 초기 배아 발달 능력 획득에 필수적이라는 것을 암시한다.