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. / 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.

La qualité embryonnaire est un concept en pleine évolution. Depuis quelques années, plusieurs caractéristiques morphologiques ont été étudiées dans le but de définir la qualité des embryons bovins produits in vitro en fonction de ceux produits in vivo. Plus récemment, l'évaluation de l'expression génique embryonnaire a été utilisée comme un nouvel outil pour caractériser un embryon de qualité. Plusieurs facteurs ont potentiellement la capacité de faire fluctuer le niveau d'expression génique des quelques 16 121 gènes connus à ce jour pour être impliqués dans le développement embryonnaire précoce. Parmi ceux-ci, notons la source des complexes ovocytes-cumulus mis en maturation (ponction à partir d'ovaires d'abattoir, ponction transvaginale in vivo, etc.), les milieux de développement (SOF avec ou sans sérum, avec ou sans support cellulaire, etc.), l'environnement de culture embryonnaire (conditions de laboratoire, expérience du manipulateur, etc.) ainsi que la qualité de l'ARN utilisé pour hybrider les biopuces. L'objet de nos démarches expérimentales a été de déterminer la variation de la qualité de l'embryon bovin produit in vitro entre deux laboratoires pour évaluer l'impact de l'environnement de culture ainsi que d'observer la variation d'expression génique présente chez les embryons produits selon différents systèmes de production in vitro. Bien que peu de variations furent observées entre les blastocystes en expansion produits sur deux sites, la proportion de cellules apoptotiques et l'expression génique pour certains gènes liés à l'apoptose se sont avérées être significativement différentes d'un laboratoire à l'autre. Des variations significatives ont également été observées entre la production in vivo et certains systèmes in vitro, où les gènes impliqués dans le métabolisme, la synthèse et la modification des lipides et du cholestérol, ainsi que dans le facteur de transcription Aryl Hydrocarbon Receptor, sont exprimés de façon beaucoup plus marquée. Un nombre imposant de nouveaux transcrits non caractérisés a également été affecté par l'environnement de culture in vitro. Sur le plan du taux de blastocyste, le système in vitro-SOF avec ponction transvaginale des ovocytes a produit les meilleurs résultats, sans engendrer les phénotypes anormaux de la co-culture.

Pour ce projet, nous avons développé une plateforme pour l’analyse pangénomique de la méthylation de l’ADN chez le bovin qui est compatible avec des échantillons de petites tailles. Cet outil est utilisé pour étudier les caractéristiques génétiques et épigénétiques (méthylation de l'ADN) des gamètes soumis aux procédures de procréation médicalement assisitée et des embryons précoces. Dans un premier temps, une plateforme d’analyse de biopuces spécifiques pour l’étude de la méthylation de l’ADN chez l’espèce bovine a été développée. Cette plateforme a ensuite été optimisée pour produire des analyses pangénomiques de méthylation de l'ADN fiables et reproductibles à partir d’échantillons de très petites tailles telle que les embryons précoces (≥ 10 ng d'ADN a été utilisé, ce qui correspond à 10 blastocystes en expansion). En outre, cet outil a permis d’évaluer de façon simultanée la méthylation de l’ADN et le transcriptome dans le même échantillon, fournissant ainsi une image complète des profils génétiques et épigénétiques (méthylation de l’ADN). Comme preuve de concept, les profils comparatifs de méthylation de l'ADN spermatique et de blastocystes bovins ont été analysés au niveau de l'ensemble du génome. Dans un deuxième temps, grâce à cette plateforme, les profils globaux de méthylation de l'ADN de taureaux jumeaux monozygotes (MZ) ont été analysés. Malgré qu’ils sont génétiquement identiques, les taureaux jumeaux MZ ont des descendants avec des performances différentes. Par conséquent, l'hypothèse que le profil de méthylation de l'ADN spermatique de taureaux jumeaux MZ est différent a été émise. Dans notre étude, des différences significatives entre les jumeaux MZ au niveau des caractéristiques de la semence ainsi que de la méthylation de l’ADN ont été trouvées, chacune pouvant contribuer à l’obtention de performances divergentes incongrues des filles engendrées par ces jumeaux MZ. Dans la troisième partie de ce projet, la même plateforme a été utilisée pour découvrir les impacts d’une supplémentation à forte concentration en donneur de méthyle universel sur les embryons précoces bovins. La supplémentation avec de grandes quantités d'acide folique (AF) a été largement utilisée et recommandée chez les femmes enceintes pour sa capacité bien établie à prévenir les malformations du tube neural chez les enfants. Cependant, plus récemment, plusieurs études ont rapporté des effets indésirables de l’AF utilisé à des concentrations élevées, non seulement sur le développement de l'embryon, mais aussi chez les adultes. Au niveau cellulaire, l’AF entre dans le métabolisme monocarboné, la seule voie de production de S-adénosyl méthionine (SAM), un donneur universel de groupements méthyles pour une grande variété de biomolécules, y compris l’ADN. Par conséquent, pour résoudre cette controverse, une forte dose de SAM a été utilisée pour traiter des embryons produits in vitro chez le bovin. Ceci a non seulement permis d’influencer le phénotype des embryons précoces, mais aussi d’avoir un impact sur le transcriptome et le méthylome de l’ADN. En somme, le projet en cours a permis le développement d'une plateforme d'analyse de la méthylation de l'ADN à l’échelle du génome entier chez le bovin à coût raisonnable et facile à utiliser qui est compatible avec les embryons précoces. De plus, puisque c’est l'une des premières études de ce genre en biologie de la reproduction bovine, ce projet avait trois objectifs qui a donné plusieurs nouveaux résultats, incluant les profils comparatifs de méthylation de l'ADN au niveau : i) blastocystes versus spermatozoïdes ; ii) semence de taureaux jumeaux MZ et iii) embryons précoces traités à de fortes doses de SAM versus des embryons précoces non traités. / In this project, we developed a bovine genome-wide DNA methylation platform compatible with small sample size to study genetic and epigenetic (DNA methylation) makeup of ART-treated bovine gametes and early embryos. Initially, a bovine-specific array-based DNA methylation analysis platform was developed. This platform was subsequently optimized to produce reliable and reproducible genome-wide DNA methylation analysis from very small sample sizes, e.g. bovine early embryos (≥ 10 ng gDNA input, corresponding to 10 expanded blastocysts). In addition, this platform permitted concurrent assessment of both DNA methylation and transcription in the same sample, thereby providing a very complete picture of genetic and epigenetic (DNA methylation) profiles. As proof of concept, for the first time, comparative DNA methylation profiles of bovine sperm and blastocysts were analysed at a genome-wide level. Using this platform, global DNA methylation profiles of monozygotic (MZ) twin bulls were analysed. Despite being geneticially identical, MZ twin bulls consistently have different progeny performance. Therefore, it was hypothesised that the DNA methylation profile of sperm from MZ twin bulls is different. In our study, there were significant differences between MZ twin for semen end points, as well as for the sperm epigenome (DNA methylation), all of which would be expected to contribute to incongruous divergent performances of daughters sired by MZ twins.In the next part of this project, using the developed platform, impacts of supplementation of a high-concentration global methyl donor on bovine early embryos was investigated. Supplementation with large amounts of folic acid (FA) has been extensively used and recommended in pregnant women for its well-established ability to prevent neural tube defects in children. However, more recently, several studies reported adverse effects of high FA concentrations, not only on embryo development, but also in adults. At the cellular level, FA enters one-carbon metabolism, the only pathway to produce S-adenosyl methionine (SAM) as the global methyl donor for a wide variety of biomolecules, including DNA. Therefore, to address this controversy, a high dose of SAM was used to treat in vitro -produced bovine embryos. This not only affected early embryo phenotypes, but also the transcritome and genome-wide DNA methylome. Overall, the current project resulted in development of a user-friendly and cost-effective bovine genome-wide DNA methylation analysis platform, which is compatible with small cell number such as early embryos. In addition, as one of the first studies of its kind in bovine reproductive biology, this project had three objectives which yielded several novel results, including comparative genome-wide DNA methylation profiles of: i) bovine blastocysts versus sperm; ii) sperm from monozygotic twin bulls and iii) high dose SAM-treated versus non-treated bovine early embryos.

Depuis plus de 40 ans, il est connu que les fœtus de mammifères sont sensibles aux conditions métaboliques de la mère durant la gestation. On commence à comprendre aujourd’hui les principes moléculaires de ces observations épidémiologiques. L’épigénétique définit cette nouvelle réalité et semble être la voie par laquelle l’environnement influence l’expression des gènes à plus ou moins long terme. Cette réalité est aussi présente en production laitière où les vaches en plus de montrer une production de lait accrue doivent soutenir le développement d’un fœtus. La forte mobilisation des réserves graisseuses associées à cette condition peut venir modifier la composition du milieu ovarien ainsi qu’utérin, et par le fait même, créer une dysfonction du métabolisme mitochondriale qui provoquera une augmentation du stress oxydatif. Cette modification peut pousser l’ovule ou l’embryon à modifier considérablement sa programmation épigénétique dans le but de s’adapter à ce signe de déficit métabolique. Dans cette étude, nous avons fait subir un stress métabolique à des embryons bovins in vitro afin de valider l’impact d’une telle perturbation sur l’épigénome embryonnaire. Les résultats obtenus ont permis de mettre en évidence une tendance à l’hypométhylation dans les régions télomériques de la majorité des chromosomes ainsi que des modifications sur des gènes reliés au métabolisme énergétique. Il devient donc important d’étudier ces modifications sur le développement et les performances futures de l’embryon et ce afin de mieux comprendre les impacts que certains types de rations ou habitudes de régie peuvent avoir sur le potentiel productif et reproductif des animaux de relève. Ces connaissances nous permettront d’adapter notre régie afin de maximiser le potentiel productif des animaux de l’industrie laitière québécoise et de conserver notre place parmi les leaders mondiaux de ce secteur de production.