The effects of paternal exposure to cyclophosphamide on the development of cleavage stage embryos

Abnormal embryonic development can arise from maternal or paternal exposure to therapeutic agents, environmental toxicants or social habits. Such exposures prior to conception may damage the gametes and have detrimental effects on the developing embryo. When male rats are exposed to the chemotherapeutic agent, cyclophosphamide, the genomic integrity of the male germ cells is altered. The goals of these studies were to determine the impact of paternal preconceptional exposure to cyclophosphamide on embryonic development and to elucidate how cleavage stage embryos respond to DNA damage in the male genome. Paternal exposure to cyclophosphamide induces sperm DNA damage and leads to the alteration of chromatin compaction during spermiogenesis. Exposure to cyclophosphamide alters the rate of sperm decondensation, as manifested by the difference in the number of zygotes within each sperm decondensation stage compared to controls. DNA double strand breaks, detected by gamma H2AX small and large foci, are enhanced during sperm decondensation, indicative of chromatin remodelling and DNA damage recognition, respectively. The damaged male genome leads to the formation of micronuclei during the first zygotic division and to a gradual developmental delay in cleavage stage embryos. The capacity of cleavage stage embryos to mount an efficient DNA damage response against the damaged male genome prevents the propagation of DNA damage to all blastomeres in subsequent cellular divisions. The activation of DNA damage responses was inappropriate, as indicated by a decrease in PARylation, in the presence of an accumulation of DNA damage in the form of large gamma H2AX foci in eight-cell embryos sired by cyclophosphamide exposed males. Thus, DNA damage induced by paternal cyclophosphamide exposure is transmitted to the early embryo, altering the progression of developmental events and activating DNA damage responses that are likely to determine embryonic fate. Furthermore, the assessment of the quality of cleavage stage embryos and developmental competence with biomarkers of the DNA damage response, such as gamma H2AX foci and PAR polymers, may be useful in developmental medicine and infertility clinics.Un développement embryonnaire anormal peut être induit par l'exposition maternelle ou paternelle à des produits thérapeutiques, à des produits toxiques présents dans l'environnement ou à des habitudes sociales néfastes. De telles expositions peuvent endommager les gamètes mâtures et avoir des conséquences néfastes sur le développement embryonnaire. Lorsque des rats mâles sont exposés à un agent anticancéreux, la cyclophosphamide, l'intégrité des cellules germinales mâles est modifiée. Le but de ces études était de déterminer les conséquences d'un génome mâle endommagé par la cyclophosphamide sur le développement et les mécanismes de reconnaissance de l'ADN modifié dans des embryons au stade de division cellulaire rapide. L'exposition paternelle à la cyclophosphamide altère l'ADN et la condensation de la chromatine du spermatozoïde durant la spermatogénèse. Par conséquent la progression du spermatozoïde suivant la fertilisation durant les différents stades de la décondensation de la chromatine est affectée puisque les nombres de zygotes observés à chaque stade de décondensation étaient différents entre le groupe contrôle et celui soumis au traitement. Le nombre de cassures de l'ADN double-brin détectées par la méthode de comptage des petits et grands focis gamma H2AX est augmenté dans le groupe traité aussitôt que la chromatine commence à être décondensée dans les spermatozoïdes, démontrant ainsi un remodelage chromatinien et une altération de l'ADN, respectivement. Lors de la première division du zygote, nous avons observé la formation de micro-noyaux provoquant un retard du développement embryonnaire au stade de division cellulaire rapide. La capacité des embryons à induire une réponse appropriée aux dommages causés à l'ADN des spermatozoïdes durant ces stades de divisions rapides prévient la propagation des dommages à l'ADN d'un blastomère à un autre durant les subséquentes divisions. Les mécanismes de défense normalement activés dans les embryons sont inefficaces puisque le niveau de PARylation ne refléte pas la quantité des dommages causés à l'ADN des spermatozoïdes, tels que démontré par l'accumulation de grands focis gamma H2AX, dans les embryons à huit cellules fertilisés par des mâles exposés à la cyclophosphamide. Ces résultats démontrent que les dommages à l'ADN causés par l'exposition paternelle à la cyclophosphamide sont transmis aux embryons ayant des conséquences néfastes sur la progression du développement embryonnaire et l'activation des mécanismes de défenses affectant ainsi leur survie. L'analyse d'embryons au stade de division rapide ainsi que l'utilisation des marqueurs gamma H2AX et PAR polymère comme marqueurs de qualité embryonnaire et compétence du développement s'avèrent potentiellement utiles dans le domaine de la médecine du développement et en cliniques de fertilité