Published August 15, 2023 | Version v1
Publication Open

Mouse sperm energy restriction and recovery (SER) revealed novel metabolic pathways

  • 1. University of Massachusetts Amherst
  • 2. Experimental Medicine and Biology Institute
  • 3. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
  • 4. Hospital San Pedro de Alcántara
  • 5. Cornell University
  • 6. Memorial Sloan Kettering Cancer Center

Description

Mammalian sperm must undergo capacitation to become fertilization-competent. While working on mice, we recently developed a new methodology for treating sperm in vitro, which results in higher rates of fertilization and embryo development after in vitro fertilization. Sperm incubated in media devoid of nutrients lose motility, although they remain viable. Upon re-adding energy substrates, sperm resume motility and become capacitated with improved functionality. Here, we explore how sperm energy restriction and recovery (SER) treatment affects sperm metabolism and capacitation-associated signaling. Using extracellular flux analysis and metabolite profiling and tracing via nuclear magnetic resonance (NMR) and mass spectrometry (MS), we found that the levels of many metabolites were altered during the starvation phase of SER. Of particular interest, two metabolites, AMP and L-carnitine, were significantly increased in energy-restricted sperm. Upon re-addition of glucose and initiation of capacitation, most metabolite levels recovered and closely mimic the levels observed in capacitating sperm that have not undergone starvation. In both control and SER-treated sperm, incubation under capacitating conditions upregulated glycolysis and oxidative phosphorylation. However, ATP levels were diminished, presumably reflecting the increased energy consumption during capacitation. Flux data following the fate of 13C glucose indicate that, similar to other cells with high glucose consumption rates, pyruvate is converted into 13C-lactate and, with lower efficiency, into 13C-acetate, which are then released into the incubation media. Furthermore, our metabolic flux data show that exogenously supplied glucose is converted into citrate, providing evidence that in sperm cells, as in somatic cells, glycolytic products can be converted into Krebs cycle metabolites.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

يجب أن تخضع الحيوانات المنوية للثدييات للسعة لتصبح مؤهلة للإخصاب. أثناء العمل على الفئران، طورنا مؤخرًا منهجية جديدة لعلاج الحيوانات المنوية في المختبر، مما يؤدي إلى ارتفاع معدلات الإخصاب وتطور الجنين بعد الإخصاب في المختبر. تفقد الحيوانات المنوية المحتضنة في وسائط خالية من العناصر الغذائية حركتها، على الرغم من أنها لا تزال قابلة للحياة. عند إعادة إضافة ركائز الطاقة، تستأنف الحيوانات المنوية حركتها وتصبح مكثفة بوظائف محسنة. هنا، نستكشف كيف يؤثر علاج تقييد طاقة الحيوانات المنوية واستعادتها (SER) على استقلاب الحيوانات المنوية والإشارات المرتبطة بالسعة. باستخدام تحليل التدفق خارج الخلية وتحديد خصائص المستقلب وتتبعه عبر الرنين المغناطيسي النووي (NMR) وقياس الطيف الكتلي (MS)، وجدنا أن مستويات العديد من المستقلبات قد تغيرت خلال مرحلة تجويع SER. ومما له أهمية خاصة، زيادة اثنين من المستقلبات، AMP و L - carnitine، بشكل كبير في الحيوانات المنوية المقيدة للطاقة. عند إعادة إضافة الجلوكوز وبدء السعة، استعادت معظم مستويات الأيض وتحاكي عن كثب المستويات التي لوحظت في تكثيف الحيوانات المنوية التي لم تتعرض للجوع. في كل من المكافحة والحيوانات المنوية المعالجة بـ SER، أدى الحضانة في ظل ظروف السعة إلى زيادة تنظيم تحلل السكر والفسفرة التأكسدية. ومع ذلك، انخفضت مستويات الأدينوسين ثلاثي الفوسفات، مما يعكس على الأرجح زيادة استهلاك الطاقة أثناء السعة. تشير بيانات التدفق التي تتبع مصير الجلوكوز 13C إلى أنه، على غرار الخلايا الأخرى ذات معدلات استهلاك الجلوكوز العالية، يتم تحويل البيروفات إلى لاكتات 13C، وبكفاءة أقل، إلى أسيتات 13C، والتي يتم إطلاقها بعد ذلك في وسط الحضانة. علاوة على ذلك، تظهر بيانات التدفق الأيضي لدينا أن الجلوكوز الذي يتم توفيره من الخارج يتم تحويله إلى سترات، مما يوفر دليلاً على أنه في خلايا الحيوانات المنوية، كما هو الحال في الخلايا الجسدية، يمكن تحويل منتجات تحلل السكر إلى مستقلبات دورة كريبس.

Translated Description (French)

Les spermatozoïdes de mammifères doivent subir une capacitation pour devenir aptes à la fécondation. En travaillant sur des souris, nous avons récemment développé une nouvelle méthodologie pour traiter les spermatozoïdes in vitro, ce qui entraîne des taux plus élevés de fécondation et de développement embryonnaire après la fécondation in vitro. Les spermatozoïdes incubés dans des milieux dépourvus de nutriments perdent leur motilité, bien qu'ils restent viables. En rajoutant des substrats énergétiques, les spermatozoïdes reprennent leur motilité et deviennent capacités avec une fonctionnalité améliorée. Ici, nous explorons comment le traitement de restriction et de récupération d'énergie des spermatozoïdes (SER) affecte le métabolisme des spermatozoïdes et la signalisation associée à la capacitation. En utilisant l'analyse du flux extracellulaire et le profilage et le traçage des métabolites par résonance magnétique nucléaire (RMN) et spectrométrie de masse (SM), nous avons constaté que les niveaux de nombreux métabolites étaient modifiés pendant la phase de famine du SER. Il est particulièrement intéressant de noter que deux métabolites, l'AMP et la L-carnitine, ont été significativement augmentés dans les spermatozoïdes à restriction énergétique. Lors de la ré-addition de glucose et de l'initiation de la capacitation, la plupart des niveaux de métabolites se sont rétablis et imitent étroitement les niveaux observés dans les spermatozoïdes capacitants qui n'ont pas subi de famine. Dans les spermatozoïdes témoins et traités par SER, l'incubation dans des conditions capacitantes a régulé à la hausse la glycolyse et la phosphorylation oxydative. Cependant, les niveaux d'ATP ont été diminués, reflétant probablement l'augmentation de la consommation d'énergie pendant la capacitation. Les données de flux suivant le devenir du glucose 13C indiquent que, comme d'autres cellules avec des taux élevés de consommation de glucose, le pyruvate est converti en 13C-lactate et, avec une efficacité moindre, en 13C-acétate, qui sont ensuite libérés dans les milieux d'incubation. De plus, nos données sur les flux métaboliques montrent que le glucose fourni de manière exogène est converti en citrate, ce qui prouve que dans les spermatozoïdes, comme dans les cellules somatiques, les produits glycolytiques peuvent être convertis en métabolites du cycle de Krebs.

Translated Description (Spanish)

Los espermatozoides de los mamíferos deben someterse a la capacitación para volverse competentes para la fertilización. Mientras trabajábamos en ratones, desarrollamos recientemente una nueva metodología para tratar los espermatozoides in vitro, lo que se traduce en mayores tasas de fertilización y desarrollo embrionario después de la fertilización in vitro. Los espermatozoides incubados en medios desprovistos de nutrientes pierden motilidad, aunque siguen siendo viables. Al volver a agregar sustratos de energía, los espermatozoides reanudan la motilidad y se capacitan con una funcionalidad mejorada. Aquí, exploramos cómo el tratamiento de restricción y recuperación de energía (ser) de los espermatozoides afecta el metabolismo de los espermatozoides y la señalización asociada a la capacitación. Utilizando el análisis de flujo extracelular y el perfil y trazado de metabolitos a través de resonancia magnética nuclear (RMN) y espectrometría de masas (EM), encontramos que los niveles de muchos metabolitos se alteraron durante la fase de inanición de SER. De particular interés, dos metabolitos, AMP y L-carnitina, aumentaron significativamente en los espermatozoides con restricción energética. Al volver a agregar glucosa e iniciar la capacitación, la mayoría de los niveles de metabolitos se recuperaron e imitan de cerca los niveles observados en los espermatozoides capacitados que no han sufrido inanición. Tanto en los espermatozoides de control como en los tratados con ser, la incubación en condiciones de capacitación reguló al alza la glucólisis y la fosforilación oxidativa. Sin embargo, los niveles de ATP disminuyeron, presumiblemente reflejando el aumento del consumo de energía durante la capacitación. Los datos de flujo que siguen el destino de la glucosa 13C indican que, al igual que otras células con altas tasas de consumo de glucosa, el piruvato se convierte en 13C-lactato y, con menor eficiencia, en 13C-acetato, que luego se liberan en el medio de incubación. Además, nuestros datos de flujo metabólico muestran que la glucosa suministrada exógenamente se convierte en citrato, lo que proporciona evidencia de que en los espermatozoides, como en las células somáticas, los productos glucolíticos se pueden convertir en metabolitos del ciclo de Krebs.

Files

pdf.pdf

Files (3.1 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:acdbd101d6ad7e620b0aa967382f1734
3.1 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
كشف تقييد طاقة الحيوانات المنوية في الفئران واستعادتها (SER) عن مسارات استقلابية جديدة
Translated title (French)
La restriction et la récupération d'énergie des spermatozoïdes de souris (SER) ont révélé de nouvelles voies métaboliques
Translated title (Spanish)
La restricción y recuperación de la energía de los espermatozoides de ratón (ser) reveló nuevas vías metabólicas

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4385953109
DOI
10.3389/fcell.2023.1234221

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Argentina

References

  • https://openalex.org/W1531722346
  • https://openalex.org/W170595280
  • https://openalex.org/W1985815362
  • https://openalex.org/W2006159306
  • https://openalex.org/W2010397653
  • https://openalex.org/W2011892782
  • https://openalex.org/W2018289835
  • https://openalex.org/W2020707618
  • https://openalex.org/W2029501842
  • https://openalex.org/W2033292148
  • https://openalex.org/W2039904943
  • https://openalex.org/W2040080912
  • https://openalex.org/W2053786989
  • https://openalex.org/W2059818498
  • https://openalex.org/W2100837269
  • https://openalex.org/W2128469364
  • https://openalex.org/W2137082142
  • https://openalex.org/W2138520061
  • https://openalex.org/W2143648130
  • https://openalex.org/W2157400893
  • https://openalex.org/W2165681080
  • https://openalex.org/W2166446009
  • https://openalex.org/W2168531605
  • https://openalex.org/W2201382378
  • https://openalex.org/W2322461833
  • https://openalex.org/W2343477951
  • https://openalex.org/W2343782671
  • https://openalex.org/W2394964740
  • https://openalex.org/W2468149186
  • https://openalex.org/W2519254040
  • https://openalex.org/W2587651673
  • https://openalex.org/W2592344106
  • https://openalex.org/W2763871199
  • https://openalex.org/W2767172151
  • https://openalex.org/W2798760795
  • https://openalex.org/W2890631306
  • https://openalex.org/W2896610371
  • https://openalex.org/W2988968077
  • https://openalex.org/W3002729355
  • https://openalex.org/W3038887784
  • https://openalex.org/W3084553484
  • https://openalex.org/W3139299039
  • https://openalex.org/W3185357253
  • https://openalex.org/W3214327839
  • https://openalex.org/W4200208003
  • https://openalex.org/W4229743141
  • https://openalex.org/W4281749929
  • https://openalex.org/W4285739934
  • https://openalex.org/W4292940374
  • https://openalex.org/W4313360951
  • https://openalex.org/W4360924211
  • https://openalex.org/W5896038