Objective: The aims of this study were to investigate whether fertilization could induce the resumption of meiosis in mouse oocytes arrested at metaphase I (MI) after in vitro maturation (IVM), and to investigate the effect of $Ca^{2+}$ chelator treatment at the time of fertilization on the transition from MI to metaphase II (MII). Methods: MII-stage and arrested MI-stage mouse oocytes after IVM were fertilized, and then embryonic development was monitored. Blastocysts from each group were transferred into 2.5 days post-coitum pseudo-pregnant ICR mice. MI oocytes after IVM were treated with a $Ca^{2+}$ chelator to investigate the effect of $Ca^{2+}$ oscillations on their maturation. Results: As insemination time increased, the number of oocytes in the MI group that reached the MII stage also increased. The blastocyst rates and total cell numbers in the MII group were significantly higher than in the MI group. No pregnancy occurred in the MI group, but 10 pregnancies were achieved (10 of 12) in the MII group. The proportion of MI oocytes that matured to MII oocytes after fertilization was significantly higher in the non-treated group than in the $Ca^{2+}$ chelator-treated group. Conclusion: The findings that a higher proportion of MI-arrested oocytes progressed to MII after fertilization and that the MI-to-MII transition was blocked by $Ca^{2+}$ chelator treatments before fertilization indicate that the maturation of MI oocytes to MII oocytes is associated with intracellular $Ca^{2+}$ oscillations driven by fertilization.
As a tumor suppressor homologue during mitosis, Chk2 is involved in replication checkpoints, DNA repair, and cell cycle arrest, although its functions during mouse oocyte meiosis and early embryo development remain uncertain. We investigated the functions of Chk2 during mouse oocyte maturation and early embryo development. Chk2 exhibited a dynamic localization pattern; Chk2 expression was restricted to germinal vesicles at the germinal vesicle (GV) stage, was associated with centromeres at pro-metaphase I (Pro-MI), and localized to spindle poles at metaphase I (MI). Disrupting Chk2 activity resulted in cell cycle progression defects. First, inhibitor-treated oocytes were arrested at the GV stage and failed to undergo germinal vesicle breakdown (GVBD); this could be rescued after Chk2 inhibition release. Second, Chk2 inhibition after oocyte GVBD caused MI arrest. Third, the first cleavage of early embryo development was disrupted by Chk2 inhibition. Additionally, in inhibitor-treated oocytes, checkpoint protein Bub3 expression was consistently localized at centromeres at the MI stage, which indicated that the spindle assembly checkpoint (SAC) was activated. Moreover, disrupting Chk2 activity in oocytes caused severe chromosome misalignments and spindle disruption. In inhibitor-treated oocytes, centrosome protein ${\gamma}$-tubulin and Polo-like kinase 1 (Plk1) were dissociated from spindle poles. These results indicated that Chk2 regulated cell cycle progression and spindle assembly during mouse oocyte maturation and early embryo development.
미성숙의 Germinal Vesicle(GV 단계에서 성숙한 Metaphase II(MII) 단계가 되는 난자성숙 과정은 핵과 세포질의 성숙을 통해 이루어지며, 이를 통해 수정과 배 발달을 할 수 있는 능력을 갖게 된다. GV 난자는 prophase I 단계에 arrest 되어 있다가 meiosis 과정을 거쳐 성숙한 MII로 되는데 이를 조절하는 기작에 대해서는 거의 알려져 있지 않다. 따라서 본 연구는 미성숙 난자와 성숙 난자간의 유전자 발현의 차이를 동정함으로써 난자성숙에 관여하는 유전인자를 밝히고자 하였다. GV와 MII 난자에서 mRNA를 정제한 후 ACP System을 이용하여 두 그룹간의 유전자 발현 차이를 분석하여 양적으로 서로 다르게 발현하거나 한쪽에서만 특이적으로 발현하는 유전자를 cloning하여 Sequencing과 BLAST search를 통해 분석하였다. ACP 1번부터 20번까지를 사용하여 32개의 유전자를 찾았으며 이중 26개가 기능적으로 알려진 유전자였다. Pscd2를 포함한 4개의 유전자는 GV에 특이적으로 발현하였고, PKD2와 CSN3를 포함하는 10개의 유전자는 GV에서 더 높게 발현하였으며 Diva를 포함하는 12개의 유전자는 MII에서 더 높게 발현하였다. 본 연구를 통해 분석된 모든 유전자는 난자에서의 발현은 보고되지 않은 것으로 ACP System을 통해 최초로 동정되었으며 특히 PKD-CSN Signaling pathway가 난자에서 발현함을 알 수 있었다. 본 연구는 난자 성숙 과정에서 서로 다르게 발현하는 유전인자를 성공적으로 동정하였으며 향후 이들의 기능을 연구함으로써 난자성숙 조절기전을 연구하는데 기여할 것으로 사료된다.
Park, Min-Woo;Lee, Hyun-Seo;Kim, Eun-Young;Lee, Kyung-Ah
한국발생생물학회지:발생과생식
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제17권1호
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pp.63-72
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2013
A specific inhibitor of RNA polymerase II, ${\alpha}$-amanitin is broadly used to block transcriptional activities in cells. Previous studies showed that ${\alpha}$-amanitin affects in vitro maturation of cumulus-oocyte-complex (COC). In this study, we evaluated the target of ${\alpha}$-amanitin, and whether it affects oocytes or cumulus cells (CCs), or both. We treated ${\alpha}$-amanitin with different time period during in vitro culture of denuded oocytes (DOs) or COCs in comparison, and observed the changes in morphology and maturation status. Although DOs did not show any change in morphology and maturation rates with ${\alpha}$-amanitin treatment, oocytes from COCs were arrested at metaphase I (MI) stage and CCs were more scattered than control groups. To discover causes of meiotic arrest and scattering of CCs, we focused on changes of cumulus expansion, gap junctions, and cellular metabolism which to be the important factors for the successful in vitro maturation of COCs. Expression of genes for cumulus expansion markers (Ptx3, Has2, and Tnfaip6) and gap junctional proteins (Gja1, Gja4, and Gjc1) decreased in ${\alpha}$-amanitin-treated CCs. However, these changes were not observed in oocytes. In addition, expression of genes related to metabolism (Prps1, Rpe, Rpia, Taldo1, and Tkt) decreased in ${\alpha}$-amanitin-treated CCs but not in oocytes. Therefore, we concluded that the transcriptional activities of CCs for supporting suitable transcripts, especially for its metabolic activities and formation of gap junctions among CCs as well as with oocytes, are important for oocytes maturation in COCs.
Kim, Yunna;Kim, Eun-Young;Seo, You-Mi;Yoon, Tae Ki;Lee, Woo-Sik;Lee, Kyung-Ah
Clinical and Experimental Reproductive Medicine
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제39권2호
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pp.58-67
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2012
Objective: Previously, we identified that transketolase (Tkt), an important enzyme in the pentose phosphate pathway, is highly expressed at 2 hours of spontaneous maturation in oocytes. Therefore, this study was performed to determine the function of Tkt in meiotic cell cycle regulation, especially at the point of germinal vesicle breakdown (GVBD). Methods: We evaluated the loss-of-function of Tkt by microinjecting Tkt double-stranded RNAs (dsRNAs) into germinal vesicle-stage oocytes, and the oocytes were cultured in vitro to evaluate phenotypic changes during oocyte maturation. In addition to maturation rates, meiotic spindle and chromosome rearrangements, and changes in expression of other enzymes in the pentose phosphate pathway were determined after Tkt RNA interference (RNAi). Results: Despite the complete and specific knockdown of Tkt expression, GVBD occurred and meiosis was arrested at the metaphase I (MI) stage. The arrested oocytes exhibited spindle loss, chromosomal aggregation, and declined maturation promoting factor and mitogen-activated protein kinase activities. The modified expression of two enzymes in the pentose phosphate pathway, Prps1 and Rbks, after Tkt RNAi and decreased maturation rates were amended when ribose-5-phosphate was supplemented in the culture medium, suggesting that the Tkt and pentose phosphate pathway are important for the maturation process. Conclusion: We concluded that Tkt and its associated pentose phosphate pathway play an important role in the MI-MII transition of the oocytes' meiotic cell cycle, but not in the process of GVBD.
The oocytes from most of animal species accumulate genetic information and other necessary materials during oogenesis for the later use in the early development. Over the years oocyte maturation has been studied extensively both in vitro and in vivo. Particularly, maturation of follicular oocyte in vitro becomes one of the important tools for the studies of basic cell biology, the in vitro technology of animal production, and in particular, the somatic cell cloning by nuclear transfer. We examined meiotic maturation and cumulus expansion in the presence of translation or transcription inhibitors for varying periods of in viかo maturation (IVM) of pig oocyte. In Experiment 1, the results revealed that translation and transcription inhibitors inhibited cumulus expansion and meiotic maturation during 35h of IVM. However, 50 to 60% of the oocytes underwent nuclear maturation without cumulus expansion during 75h of IVM. The rest of the oocytes were arrested at metaphase I (40-50%) in the presence of the inhibitors. In Experiment II, the OCCs were exposed to the drugs only for 15h to examine translation and transcription inhibitors on cumulus expansion and meiotic maturation. Transcription inhibitors for 15h did not arrest meiotic maturation when the oocytes were cultured for subsequent, necessary period of IVM, whereas cumulus expansion was completely inhibited, suggesting that initial 15h is critical transcription activity far cumulus expansion. Translation inhibitors for 15h exposure did not alter cumulus expansion and meiotic maturation during subsequent culture in the absence of the drugs. In Experiment III, the OCCs were exposed to the drugs only for later 30h to examine the influence of transcription and translation inhibitors on oocyte maturation. Interestingly, all meiotic maturation underwent normally with full expansion of cumulus. Similar results were obtained from Experiment IV where 5h of exposure from 15 to 20h of IVM culture to the drugs was performed and subsequently cultured for same period in fresh medium. Taken there results together, both transcription and translation are necessary for nuclear maturation and cumulus expansion, and first 15h IVM for cumulus expansion is critical. The arrested oocytes by the drugs were still capable of undergoing nuclear maturation, although cumulus expansion was affected.
PKC는 그들의 cofactor-requirments에 따라 cPKC, nPKC 그리고 aPKC, 3그룹으로 나어진다. 마우스 난 성숙과정에 있어서 cPKC 및 nPKC의 activators인 PMA의 영향에 대한 많은 결과가 보고되었다. 그러나 각각의 그룹에 대한 차별화된 영향에 대하여는 밝혀져 있지 않다. Mezerein의 analog인 thymeleatoxin은 cPKC의 특이적인 activator로 보고되어져 있다. 본 연구에서는 specific cPKC activator인 thymeleatoxin의 마우스 난 성숙과정에의 영향을 제1감수분열 재개 능(germinal vesicle break down, GVBD)과 제1 극체 형성 능(1st polar body extrusion)을 조사하여 cPKC및 nPKC activator인 PMA와 비교 검토하였다. 그 결과 GVBD IC50는 thymeleatoxin에서 ~400nM, PMA에서는 ~50nM이었으며, 제1극체 방출의 IC50는 thymeleatoxin에서 ~200nM, PMA에서는 ~20nM이었다. 이들 결과는 Thymeleatoxin의 GVBD나 1st polar body extrusion 저해효과가 PMA에 비하여 1/8~1/10인 것으로 나타났다. 이들 결과는 GVBD나 제1극체 형성을 포함하는 난 성숙과정에서 cPKC보다 상대적으로 nPKC의 관여가 깊음을 보여 준다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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