UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO DIRETORIA DE PESQUISA PROGRAMA INSTITUCIONAL DE BOLSAS DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA – PIBIC : CNPq, CNPq/AF, UFPA, UFPA/AF, PIBIC/INTERIOR, PARD, PIAD, PIBIT, PADRC E FAPESPA RELATÓRIO TÉCNICO - CIENTÍFICO Período : __08____/____2014______ a _____07____/____2015______ ( ) PARCIAL (x) FINAL IDENTIFICAÇÃO DO PROJETO Título do Projeto de Pesquisa (ao qual está vinculado o Plano de Trabalho): Programa de cooperação técnico-científico na área de biotecnologia da reprodução entre a Universidade Federal do Pará (UFPA) e a Universidade Norte do Paraná (UNOPAR). Nome do Orientador: Otavio Mitio Ohashi Titulação do Orientador: Doutor Instituto/Núcleo: Instituto de Ciências Biológicas Laboratório: Laboratório de Fecundação In vitro Título do Plano de Trabalho : AVALIAÇÃO DA DESCONDENSAÇÃO DA CROMATINA ESPERMÁTICA, ATRAVÉS DA CROMOMICINA A3, APÓS FECUNDAÇÃO IN VITRO DE OÓCITOS BOVINOS Nome do Bolsista: Caroline de Araújo Santos Tipo de Bolsa : (x) PIBIC/ CNPq ( ) PIBIC/CNPq – AF ( )PIBIC /CNPq- Cota do pesquisador ( ) PIBIC/UFPA ( ) PIBIC/UFPA – AF ( ) PIBIC/ INTERIOR ( )PIBIC/PARD ( ) PIBIC/PADRC ( ) PIBIC/FAPESPA ( ) PIBIC/ PIAD ( ) PIBIC/PIBIT 1 1. INTRODUÇÃO A produção in vitro de embriões (PIVE) é uma biotécnica que vem sendo destacada no cenário atual e compreende as etapas de maturação in vitro (MIV), fecundação in vitro (FIV) e cultivo in vitro (CIV), onde ocorrerá o desenvolvimento até o estágio de blastocisto (GONÇALVES et al., 2002). As dificuldades encontradas no processo de PIVE ocorrem devido a dificuldades em se mimetizar os diversos ambientes no qual essas etapas acontecem in vivo (MEIRELLES et al. 2004). Com o intuito de continuar aperfeiçoando este processo grande parte dos estudos é voltada para compreensão e melhoramento do oócito in vitro, porém há também a necessidade de pesquisas voltadas para o gameta masculino, já que a sua integridade a nível molecular e morfológico é de extrema necessidade para a fecundação do gameta feminino, formação e desenvolvimento do embrião (WOLF, 2005), já que danos no material genético do espermatozóide afetam diretamente a etapa de iniciação da expressão gênica embrionária, que ocorre a partir do estágio de 8 células. (FATEHI et al., 2006). A primeira etapa do desenvolvimento embrionário é a fecundação. Antes desse processo, o DNA do gameta masculino se encontra bastante compactado por proteínas específicas chamadas de protaminas (KNOBIL & NEIL, 1993). Entre os mamíferos, a estrutura e a composição da cromatina somática varia, já que o DNA não está relacionado com histonas ou nos nucleossomos (MCLAY E CLARKE, 2003). Entre as mudanças bioquímicas que ocorrem durante a fecundação, destacam-se as que ocorrem no núcleo do espermatozóide, principalmente a substituição que ocorre na cromatina espermática, onde as protaminas serão substituídas pelas proteínas nucleares de células somáticas, as histonas (NAKAZAWA et al., 2002). Um método eficiente para avaliar a protaminação do material genético seria a coloração com Cromomicina A3, que tem a sua correlação com a protamina 1/protamina 2 descrita em diversos estudos recentes, sendo apontada como o método mais prático para este tipo de avaliação (GEORGIOU, 1996, LOLIS et al, 2006., ANGELOUPOULOU et al, 2007, ZANDEMANI et al, 2012).1 Alguns trabalhos têm mostrado que a integridade da cromatina do espermatozóide durante a fecundação pode decisivamente influenciar a sobrevivência embrionária, status este que envolve vários processos bioquímicos, morfológicos e 2 fisiológicos que ocorrem durante tal processo e que estão associados com mudanças marcantes na estrutura da cromatina do espermatozóide, como a substituição das protaminas por histonas (NAKAZAWA et al., 2002; D’OCCHIO et al, 2007), as quais estão envolvidas na regulação da organização cromossômica e transcrição de genes, sendo encontradas em vários subtipos que são expressos na maturação do oócito e no desenvolvimento embrionário (YUN et al, 2012). Sendo assim, o principal objetivo deste trabalho visa descrever a relação de problemas relacionados à troca da protamina pela histona oocitária e sua possível influência no bloqueio do desenvolvimento do embrião, utilizando a coloração com Cromomicina A3 como principal ferramenta detecção, servindo para futuros estudos futuros na espécie bovina. . 2. JUSTIFICATIVA Ainda não há a completa compreensão dos mecanismos que causam a remodelação da cromatina espermática durante a fecundação, e isto seria de extrema importância não só para os estudos neste ramo, como para a melhoria das taxas de embriões com origem em técnicas como a fecundação in vitro, a injeção intracitoplasmática de espermatozóide e a transferência nuclear (NAKAZAWA et al., 2002).. Em 2002, NAKAZAWA et. al foram pioneiros em utilizar a técnica de imunocitoquímica para realização de estudos bioquímicos a respeito da substituição da protamina pelas histonas em mamíferos, sendo seu primeiro alvo de estudo zigotos de ovinos, a única espécie mamífera com relatos a respeito desse processo. A necessidade de compreender melhor este evento bioquímica torna necessário um maior aprofundamento dos estudos envolvendo a remodelação nuclear ocorrida durante a FIV em outras espécies, como por exemplo, bovinos, com o intuito de melhorar a compreensão e os resultados do desenvolvimento embrionário in vivo. Assim, a hipótese deste trabalho é que problemas ocorridos durante a substituição da protamina por histona estejam diretamente ligados ao desenvolvimento embrionário, e esta pode ser a causa de tamanha discrepância entre as taxas obtidas em fecundações com sêmen de touros de raças diferentes. 3 3. OBJETIVOS Objetivo geral Avaliar a descondensação da cromatina espermática após o processo de fecundação in vitro em oócitos bovinos. Objetivos específicos - Descrever o período em que ocorre a substituição de protamina por histona durante o processo de fecundação in vitro, na espécie bovina. - Verificar a presença da protamina, através do fluorocromo cromomicina A3, em embriões que não desenvolvem ao estágio de blastocisto. 4. MATERIAL E MÉTODOS 4.1 Delineamento experimental Experimento 1: Analisar a substituição da protamina pela histona nos zigotos através de CMA3. Neste experimento foi analisada o processo de substituição da protamina pela histona até sete (7) horas após a FIV (segundo Nakazawa et al., 2002 e Dean et al., 2003) através da técnica de imunofluorescência e coloração com Cromomicina A3. Para isso foi realizada a FIV e prováveis zigotos foram fixados, para análise da presença de CMA3, nos seguintes intervalos de tempo: 3, 4, 5, 6 e 7 horas após a FIV. Experimento 2: Analisar a presença da protamina em embriões que não desenvolvem a blastocisto. Neste experimento foi analisado se uma provável falha na substituição de protamina por histona pode ser a causadora do não desenvolvimento do embrião ao estágio de blastocisto. Para isso, foi realizada produção in vitro de embriões bovinos e aqueles que não ultrapassaram o estágio de 2 ou 4 células (que pararam seu desenvolvimento), no 3° dia de desenvolvimento, foram analisados quanto a presença da protamina e comparados a embriões com desenvolvimento “normal”. 4 4.2 PRODUÇÃOIN VITRO DE EMBRIÕES 4.2.1 Coleta de Ovários e Punção Folicular Os ovários foram obtidos no abatedouro local; SOCIPE (Sociedade Cooperativa dos Pecuaristas), localizado no bairro do Tapanã (Belém – PA), coletados logo após o abate, lavados em PBS e acondicionados em frasco com solução salina (0,9% cloreto de sódio) à temperatura de 30 a 35 ºC, sendo transportados ao laboratório de Fecundação In vitro da Universidade Federal do Pará dentro de um período máximo de 2 horas. Folículos antrais de 2 a 8 mm foram puncionados utilizando-se agulhas 40 x 12 e seringas de 10 mL, sendo o fluido folicular obtido depositado em tubos de 15 mL. Terminada a aspiração, foi possível visualizar o sobrenadante e o pellet (onde se encontram os complexos cumulus oophorus- CCOs). A porção líquida foi desprezada e o sedimento transferido para uma placa de Petri estéril de poliestireno de 60 mm de diâmetro. 4.2.2 Rastreamento e Seleção dos CCOs O rastreamento dos CCOs foi realizado com auxílio de lupa estereomicroscópica, utilizando-se de tubo capilar, sob o fluxo laminar. Os CCOs com citoplasma homogêneo, sem vacúolos ou grânulos escurecidos, apresentando células do cumulus oophorus compactas e refringentes foram lavados e selecionados em TCM 199 Hepes acrescido 10% de SFB (v/v), 0,22 mM piruvato, 62,6 g/mL penicilina e 50 g/mL gentamicina (TCM 199-Hepes) e então maturados in vitro. 4.2.3 Maturação In vitro (MIV) Os CCOs foram incubados, em gotas de 100µL de meio de MIV (Meio TCM 199, tampão bicarbonato de sódio, suplementado com 10% SFB (v/v), 0,5µg/mL FSH, 50µg/mL LH, 0.5µg/mL EGF, 22µg/mL de piruvatoe 50µg/mL de gentamicina) em placas de petri de 35 mm sob óleo mineral estéril, por um período de aproximadamente 20 horas sob atmosfera de 5% de CO2, 20% de O2, 75% de N2 e temperatura de 38,5°C. 5 4.2.4 Fecundação In vitro (FIV) Para a fecundação in vitro foi utilizado sêmen congelado de um único touro Simental (Bos taurus). O método de separação dos espermatozóides (SPTZ) dos crioprotetores e plasma seminal foi o de gradiente de densidade descontínuo de Percoll. A mini-palheta (500 µl) de sêmen foi descongelada em água a 35 ºC durante 30 segundos e, em seguida, o sêmen foi depositado sobre a coluna de 800L de Percoll (400L gradiente 45% e 400L gradiente 90%) e centrifugado a 200 g durante 7 minutos. O sobrenadante foi desprezado e o pellet lavado em 800 µl de meio de fecundação (TALP suplementado com 10 µg /mL de heparina, 2 µM de penicilamina, 1 µM de hipotaurina, 0,25 µM de epinefrina e 6 mg/mL BSA) por centrifugação a 200 g durante 3 minutos para remoção dos resíduos de Percoll. Após as lavagens, a concentração espermática foi determinada com auxílio de uma câmara de Neubauer e ajustada para 2x10 6 SPTZ/mL. Os espermatozóides foram colocados em gotas de 80 L de meio de fecundação (TALP, suplementado com 10 µg/mL de heparina, 2 µM de penicilamina, 1 µM de hipotaurina, 0,25 µM de epinefrinae 6 mg/mL BSA), junto com os CCOs (20 a 25 por gota). CCOs e espermatozóides permaneceram co-incubados em placas de petri sob óleo mineral estéril, até o período em que os zigotos foram fixados para o experimento 1 ( 04 a 08 horas após a FIV), ou, no caso do experimento 2, após 24 horas de FIV. Os prováveis zigotos foram submetidos a sucessivas pipetagens para retirada das células do cumulus oophorus restantes e dos espermatozóides aderidos à zona pelúcida e então transferidos para a placa de cultivo in vitro. 4.2.5 Cultivo In vitro (CIV) Para dar suporte ao desenvolvimento embrionário foi realizado um sistema de co-cultivo dos embriões bovinos em monocamada de células da granulosa oriundas do cumulus oophorus dos oócitos, que aderem à placa de cultivo durante a MIV formando uma monocamada. O meio de MIV foi substituído por 100 L de meio de cultivo embrionário e a placa com a monocamada permanecendo incubada em estufa de CO2, aguardando o momento da transferência dos embriões. O meio de cultivo utilizado foi o meio SOF (sintetic oviduct fluid) suplementado com 6 mg/mL de BSA, 10% de SFB e antibióticos, segundo TERVITet al. (1972). Após 24 a 28 horas na gota de FIV, os prováveis zigotos foram submetidos à sucessivas pipetagens (vortex) para retirada das células do cumulus oophorus 6 restantes e dos espermatozóides aderidos à zona pelúcida, sendo então transferidos (15 a 20) para gotas de cultivo onde permaneceram até o fim do cultivo. 4.2.6 Coloração com Cromomicina A3 Os prováveis zigotos foram lavados duas vezes em PBS em seguida secos ao ar à temperatura ambiente durante 30 minutos. Cada lâmina foi tratada com 100 mL de CMA3 em solução durante 20 minutos (Sigma-Aldrich Co, LLC, St. Louis, MO) [0,25 mg / mL em 0,15 M PBS]. As lâminas foram lavadas em PBS e secas ao ar em temperatura ambiente. A análise microscópica de lâminas foi realizada usando um microscópio de fluorescência. A Coloração CMA3 foi avaliada distinguindo entre os que coraram em verdeamarelo intenso (CMA3 indicando positivamente deficiência de protamina) e aqueles com coloração verde-amarela fraca (CMA3 indicando protaminação completa) (LOLIS ET AL, 1996 E ZANDEMANI ET AL. 2012) 5 RESULTADOS A eficiência do protocolo para uso do fluorocromo CMA3 em zigotos foi testada através de microscopia de fluorescência. A figura 1 mostra os resultados das amostras coradas com CMA3 e HOECHST como controle. A B C Figura 1- Coloração com CMA3 em zigotos que apresentaram bloqueio do desenvolvimento no terceiro dia de cultivo in vitro. O método de detecção se mostrou ineficaz em zigotos. A) Zigoto visualizado sob microscopia de luz. B) Zigoto submetido à coloração com CMA3 e analisado por microscopia de fluorescência C) Zigoto após coloração com HOESCHT como controle. 7 Apesar das diversas tentativas de padronização do protocolo utilizado em espermatozóides para utilização em zigotos, não houve resultados para este experimento. Diversos trabalhos mostram a eficiência deste cromóforo na detecção de deficiências relacionadas a protaminação (GEORGIOU, 1996, LOLIS ET AL, 2006., ANGELOUPOULOU ET AL, 2007) porém, não há relatos deste método aplicado em zigotos ou em células somáticas cujo objetivo não fosse bandeamento, técnica que já é comumente usada na literatura (KARAGYAN ET AL, 2012., BOLSHEVA ET AL, 2012., ŚLIWIŃSKA-JEWSIEWICKA, 2015) por se ligar aos sítios ricos em Guanina e Citosina, segundo descrito por Sunmer et al, em 1989. Mesmo utilizando ferramentas como a digestão enzimática da zona pelúcida, relatada por Lagutina e colaboradores em 2007, o fluorocromo aparenta não ser hábil a atravessar a membrana celular do oócito, uma vez que não foi observado nenhum sinal semelhante ao descrito por Lolis et al (1996) e posteriormente por Zandemani e colaboradores (2012), onde o material genético masculino deveria apresentar uma coloração verde-amarelada em diferentes intensidades, tornando possível a identificação entre positivos e negativos. Outro fator relevante seria o tempo de substituição, uma vez que trabalhos anteriores realizados pelo Laboratório de Fecundação in vitro indicam que a substituição da protamina pela histona H1FOO ocorre rapidamente após a fecundação do oócito, o que também poderia ser responsável pela não detecção da deficiência de protamina neste experimento. Deste modo, se tornou inviável a utilização de tal método para a análise de problemas relacionados à integridade da protamina e sua relação com o bloqueio embrionário, uma vez que defeitos à nível da integridade molecular do espermatozóide podem não impedir a fecundação, porém este tipo de dano no DNA permace durante o desenvolvimento embrionário, podendo também ocasionar erros na substituição da protamina por histona, fator que pode levar ao bloqueio do desenvolvimento embrionário, induzindo o embrião à apoptose ou fragmentação embrionária (ELLINGTON et al, 1998), como no caso das amostras utilizadas para este experimento, armazenadas no terceiro dia do desenvolvimento, onde já deveriam haver clivagens características deste estádio de desenvolvimento (GONÇALVES, 2002) . 6 PUBLICAÇÕES Até o presente momento, não houve publicação gerada pelo trabalho. 8 7 CONCLUSÃO: Não foi possível a detecção das falhas no processo de desconsação da cromatina espermática através da técnica de coloração pelo flurocromo Cromomicina A3, possivelmente pela dificuldade encontrada em atravessar a membrana plasmática oocitária, não fornecendo nenhum resultado concreto sobre a relação entre defeitos deste evento bioquímico e o bloqueio do desenvolvimento embrionário. 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PARECER DO ORIENTADOR: A aluna desenvolveu suas atividades de forma dedicada e demonstrou capacidade de aprendizado e de execução dos seus experimentos. DATA : ______/_________/________ _________________________________________ ASSINATURA DO ORIENTADOR ____________________________________________ ASSINATURA DO ALUNO 11 . 12