Study of how excessive follicular non-esterified fatty acids impact programming in porcine early embryo and granulosa cells

Le développement des follicules, des ovocytes et des embryons sont des processus biologiques qui contrôlent la possibilité de devenir un organisme vivant. La maturation des ovocytes est un événement tout à fait unique avec deux divisions asymétriques, la méiose, mais également caractérisée par l'arrêt de la transcription et le stockage des transcrits et des protéines nécessaires au développement embryonnaire précoce. Comme nous le savons, le liquide folliculaire forme partie du micro environnement autour de l'ovocyte et influence la compétence de l'ovocyte. Cependant, la composition du liquide folliculaire peut changer sous divers statuts nutritionnels, tels que l'obésité chez l'homme et un bilan énergétique négatif chez les vaches et les truies. Ces modifications moléculaires du liquide folliculaire induites par les conditions métaboliques maternelles peuvent affecter la qualité des ovocytes, le développement embryonnaire et peuvent par la suite provoquer des troubles métaboliques et autres maladies chez les prochaines générations. Ces dernières années, de nouvelles études se sont concentrées sur les effets de contextes nutritionnels anormaux, p.ex., niveaux élevés d'acides gras non estérifiés (AGNE), sur les cellules de la granulosa, les cellules du cumulus, les ovocytes et le développement précoce de l'embryon chez diverses espèces, notamment chez l'homme, la souris et le bétail. Dans cette thèse, le porc a été utilisé comme modèle expérimental. Le porc est un excellent modèle pour étudier l'impact de la nutrition sur la fonction ovarienne chez l'homme, puisqu'il existe de nombreuses similitudes entre les porcs et l'homme telles que la physiologie digestive et la durée approximative de la maturation in vitro (IVM). En outre, les niveaux élevés d'AGNE induits par la nutrition existent également pendant la lactation chez les porcs. Enfin, les embryons de porc peuvent être générés in vitro et leur étude n'est pas soumise aux mêmes limitations éthiques que les humains. Pour mieux comprendre les effets de niveaux élevés d'AGNE au cours de la maturation des ovocytes chez le porc, des ovocytes porcins ont été exposés au milieu de maturation in vitro contenant une combinaison de niveaux élevés d'AGNE. Des puces à ADN ont été utilisées pour obtenir des informations globales sur les schémas transcriptomiques et de méthylation de l'ADN des blastocystes provenant des ovocytes exposés aux AGNE. Afin de mieux mimer un environnement folliculaire fonctionnel lors de la maturation, des ovocytes exposés aux AGNE ont été co-cultivés ou non avec des cellules de la granulosa porcine issues de follicules de taille moyenne (diamètre entre 3 et 5 mm). Pour capturer la réponse des cellules de la granulosa aux AGNE, les informations transcriptomiques des cellules de la granulosa co-cultivées ont également été étudiées. Le travail réalisé dans cette thèse nous a permis de mettre en évidence et d'expliquer les impacts de niveaux élevés d'AGNE folliculaires sur les blastocystes issus d'ovocytes exposés aux AGNE et les cellules de la granulosa co-cultivées. Les ovocytes exposés aux AGNE ont moins de potentiel de se développer en blastocystes, et les blastocystes dérivés ont montré une inflammation, plus d'apoptose, et des changements métaboliques des schémas transcriptomiques et de méthylation de l'ADN. La méthylation différente de l'ADN ouvre la possibilité de transmettre les impacts induits par les AGNE aux générations suivantes. Lorsque les voies affectées des blastocystes provenant d'ovocytes avec coculture de cellules de la granulosa ont été comparées à celles sans coculture, davantage de voies anti-inflammatoires ont été observées dans des conditions de coculture, suggérant le rôle protecteur des cellules de la granulosa dans la diminution des effets néfastes des AGNE sur les ovocytes. En examinant le transcriptome des cellules de la granulosa avec ou sans AGNE, nous avons observé que les cellules de la granulosa étaient capables d'atténuer les effets néfastes des AGNE sur les ovocytes par la régulation du métabolisme, des facteurs anti-inflammatoires et l'inhibition de la transition épithéliale-mésenchymateuse. Le dernier chapitre résume le métabolisme des acides gras dans les ovocytes, les cellules folliculaires et les embryons, et traite également des effets néfastes de l'exposition aux AGNE pendant la maturation in vitro sur les ovocytes, les cellules folliculaires et les embryons. Les informations dérivées des résultats mettent en évidence les effets néfastes des niveaux élevés d'AGNE dans le liquide folliculaire induits par l'état nutritionnel maternelle avec un aperçu global des schémas transcriptomiques et de méthylation de l'ADN chez les porcs. Ensuite, le rôle des cellules de la granulosa dans la protection des ovocytes envers l'environnement défavorable des acides gras en excès est proposé. Les connaissances acquises donnent une idée du métabolisme du niveau élevé d'acides gras dans les follicules et suggèrent l'importance d'une concentration appropriée d'acide gras pendant la folliculogenèse et la maturation des ovocytes.The development of follicles, oocytes, and embryos are the biological processes that control the possibility to become a living organism. The oocyte maturation is a quite unique event with two asymmetric cleavages, the meiosis, but also characterized by the arrest of transcription and the storage of transcripts and proteins required for early embryonic development. As we know, the follicular fluid is part of the microenvironment surrounding the oocyte and influences the oocyte competence. However, the composition of follicular fluid may change under various nutrition statuses, such as obesity in humans and negative energy balance in cows and sows. These maternal metabolic conditions induce follicular fluid changes may affect oocyte quality, embryonic development, and subsequently cause metabolic problems and diseases in the next generations. In recent years, new studies focused on the effects of abnormal nutrition contexts, e.g., elevated levels of non-esterified fatty acids (NEFAs), on granulosa cells, cumulus cells, oocytes, and early embryo development in various species including humans, mice, and cattle. In this thesis, the pig was used as the experimental model. The pig is an excellent model to study the impacts of nutrition on human ovarian function since there are many similarities between pigs and humans, such as digestive physiology and approximate length of in vitro maturation (IVM). Besides, the nutrition-induced elevated levels of NEFA also exist during the lactation in pigs. Finally, porcine embryos can be generated in vitro and are not subjected to the same ethical limitations as human embryos. To better understand the effects of elevated levels of NEFAs during oocyte maturation in pigs, porcine oocytes were exposed to an in vitro maturation medium containing a combination of high level of NEFAs. Microarrays were used to draw global information of the transcriptomic and DNA methylation patterns of blastocysts originated from NEFAs' exposed oocytes. To better mimic a functional follicular environment during maturation, oocytes exposed to NEFAs were co-cultured or not with porcine granulosa cells from medium size follicles (diameter between 3 and 5 mm). To capture the response of granulosa cells to NEFAs, the transcriptomic information of the cocultured granulosa cells was also investigated. The work completed in this thesis allowed us to highlight and explain the impacts of elevated levels of follicular NEFAs on the blastocysts originated from NEFAs-exposed oocytes and the cocultured granulosa cells. NEFAs-exposed oocytes have less potential to develop into blastocysts, and the derived blastocysts showed inflammation, more apoptosis, and metabolic changes both in transcriptomic and DNA methylation patterns. The altered DNA methylation opens the possibility of transmitting the NEFAs-induced impacts to subsequent generations. When the affected pathways of blastocysts originated from oocytes cocultured with granulosa cells were compared to those without coculture, more anti-inflammatory pathways were observed in coculture condition, suggesting the protective role of granulosa cells in decreasing the detrimental effects of NEFAs on oocytes. Looking at the granulosa cell transcriptome with or without NEFAs, we observed that the granulosa cells were able to attenuate the adverse effects of NEFAs on oocytes through regulation of metabolism, anti-inflammatory factors, and inhibition of the epithelial-mesenchymal transition. The last chapter summarizes the metabolism of fatty acids in oocytes, follicular cells, and embryos, and also discusses the adverse impacts of exposure to NEFAs during IVM on oocytes, follicular cells, and embryos. The information derived from the results highlights the detrimental impacts of maternal nutrition-induced elevated NEFAs levels in follicular fluid with a global overview of the transcriptomic and DNA methylation patterns in pigs. Then the role of granulosa cells in protecting the oocytes from the adverse environment of excess fatty acids is proposed. The acquired knowledge provides the idea about the metabolism of the high level of fatty acids in follicles and suggests the importance of a suitable concentration of fatty acids during folliculogenesis and oocyte maturation