Molecular approaches related to the European eel (Anguilla anguilla) reproductive process

Abstract

[EN] The European eel (Anguilla anguilla, L., 1758) population is in dramatic decline, so much so that this species has been listed as "Critically Endangered" on the Red List of Threatened Species, by the International Union for Conservation of Nature (IUCN). The European eel has a complex life cycle, with sexual maturation blocked in the absence of the reproductive oceanic migration, and an inability to mature in captivity without the administration of hormonal treatments. Even though experimental maturation induces gamete production of both sexes, the fertilization results in infertile eggs, unviable embryos and larvae, which die within a few days of hatching. Therefore, understanding the eel reproductive physiology during maturation is very important if we want to recover the wild eel population. Furthermore, due to its phylogenetic position, representative of a basal group of teleosts, the Elopomorphs, the Anguilla species may provide insights into ancestral regulatory physiology processes of reproduction in teleosts, the largest group of vertebrates. In this thesis, characterization, phylogeny and synteny analyses have given us new insight into the evolutionary history of the reproductive process in vertebrates. The European eel possesses five membrane (mPRs) and two nuclear (nPR or pgrs) progestin receptors. Eel mPRs clustered in two major monophyletic groups. Phylogeny analysis of vertebrate nPRs and PLCz1 (sperm specific protein) places both eel PLCz1 and nPR sequences at the base of the teleost clade, which is consistent with the basal position of elopomorphs in the phylogeny of teleosts. To further resolve the origin of the duplicated eel nPRs, synteny analyses of the nPR neighboring genes in several vertebrate genomes were performed. Phylogeny and synteny analyses allowed us to propose the hypothesis that eel duplicated nPRs originated from the 3R. In order to gain a better understanding of the role of the genes implicated in eel reproduction, analyses of their regulation during experimental maturation were carried out. The change in salinity induced parallel increases in E2 plasma and nuclear estrogen receptor expression levels, revealing a stimulatory effect of salinity on the E2 signalling pathway along the BPG axis, leading to a control of spermatogonial stem cell renewal. Brain and pituitary estrogen receptors may then mediate the stimulation of androgens and steroidogenic enzymes linked to androgen synthesis. Androgen synthesis is not dependent on temperature, but further maturation requires higher temperatures to induce a change in the steroidogenic pathway towards estrogen and progestin synthesis. This is consistent with our studies on estrogen and progestin receptors. In the testis, progestin seems to regulate meiosis through membrane and nuclear progestin receptors, and final sperm maturation seems to be controlled by both estrogen and progestin through the estrogen and progestin membrane receptors. Finally, eel sperm-specific PLCz1 seems to have an important function in spermatozoa by inducing egg activation and temperature may play a role in its regulation, especially during the process of spermiogenesis. This thesis attempts to evaluate the physiological function of the genes involved in eel reproduction during spermatogenesis, and demonstrates that salinity and temperature play crucial roles in the sexual maturation of the male European eel.

[ES] La anguila europea (Anguilla anguilla, L., 1758) está sufriendo un declive dramático y ha sido incluida en la categoría de especies "En peligro crítico" en la Lista Roja de Especies Amenazadas, por la International Union for Conservation of Nature (IUCN). La anguila europea tiene un ciclo de vida complejo, con un bloqueo de la maduración sexual hasta que se produce la migración reproductiva, y no madura en cautividad sin la aplicación de tratamientos hormonales. La inducción de la maduración sexual conlleva la producción de gametos de ambos sexos, pero los resultados de la fertilización son huevos no fértiles, embriones no viables, o larvas que mueren pocos días después de la eclosión. Por tanto, la comprensión de la fisiología reproductiva de la anguila durante la maduración es imprescindible para recuperar sus poblaciones naturales. Además, dada su posición filogenética, como representantes de un grupo basal de los teleósteos, los elopomorfos, las especies del género Anguilla podrían proporcionar nuevas perspectivas sobre los procesos ancestrales de regulación de la fisiología de la reproducción de los teleósteos, el mayor grupo de vertebrados. En esta tesis, los resultados de caracterización, análisis de filogenia y sintenia ofrecen nuevas perspectivas de la historia evolutiva del proceso reproductivo de los vertebrados. La anguila europea posee cinco receptores de progestágenos de membrana (mPRs) y dos nucleares (nPR o pgrs). Los mPRs de la anguila se engloban en dos grandes grupos monofiléticos. Las filogenias de los nPRs y de la PLCz1 (una proteína específica del esperma) sitúan a las secuencias de la anguila de PLCz1 y de nPRs en la base del grupo de los teleósteos, lo que coincide con la posición basal de los elopomorfos en la filogenia de los teleósteos. Para resolver el origen de la duplicidad de los nPRs de anguila, se realizaron análisis de sintenia de los genes próximos a los nPRs. Los análisis de filogenia y sintenia nos permitieron formular la hipótesis de que los nPRs duplicados de la anguila se originaron en la 3° duplicación del genoma que se produjo en teleósteos. Para entender mejor el papel de los genes implicados en la reproducción de la anguila, se hicieron análisis de su regulación durante la maduración experimental. El cambio de salinidad indujo aumentos paralelos del nivel plasmático de E2 y de la expresión de los receptores nucleares de estrógenos, que refleja un efecto estimulador de la salinidad sobre la ruta de señalización del E2 dentro del eje cerebro-hipófisis-gónada, que conlleva el control de la renovación de las espermatogonias indiferenciadas. Los receptores de estrógeno en el eje cerebro-hipófisis-gónada podrían mediar la estimulación de la síntesis de andrógenos y de los enzimas esteroidogénicos unidos a ella. Esa síntesis de andrógenos no depende de la temperatura, pero la continuación del proceso de maduración requiere de temperaturas más altas para inducir un cambio en las rutas esteroidogénicas hacia la síntesis de estrógenos y progestágenos. Esto coincide con nuestros estudios sobre receptores de estrógenos y de progestágenos. En el testículo, los progestágenos parecen regular la meiosis mediante la participación de dos mPRs y un nPR, y la maduración final del esperma parece estar controlada tanto por estrógenos como por progestágenos mediante los receptores de estrógenos y de progestágenos de membrana. Finalmente, la PLCz1 de anguila podría tener una importante función en la activación del huevo inducida por el espermatozoide, y la temperatura podría jugar un papel en su regulación, especialmente durante el proceso de espermiogénesis. Esta tesis intentó evaluar la función fisiológica de los genes implicados en la reproducción de la anguila durante la espermatogénesis, y demuestra que la salinidad y la temperatura juegan papeles cruciales en la maduración sexual de los machos de anguila

[CA] La població d'anguila europea (Anguilla anguilla, L., 1758) està sofrint un declivi dramàtic, i aquesta espècie ha estat inclosa en la categoria d'espècies "En perill crític" en la Llista Roja d'Espècies Amenaçades per la International Union for Conservation of Nature (IUCN). L'anguila europea té un cicle de vida complex, amb un bloqueig de la maduració sexual que es manté fins que es produeix la migració reproductiva, i no madura en captivitat sense l'aplicació de tractaments hormonals. Però, fins i tot quan la inducció de la maduració sexual comporta la producció de gàmetes d'ambdós sexes, els resultats de la fertilització son ous no fèrtils, embrions no viables o larves que moren pocs dies després de l'eclosió. Per això, la comprensió de la fisiologia reproductiva de l'anguila durant la maduració és imprescindible per aconseguir la recuperació de les poblacions naturals d'anguila. A més, donada la seua posició filogenètica com a representant d'un grup basal de teleostis, els elopomorfos, les espècies del gènere Anguilla podrien proporcionar noves perspectives al voltant dels processos ancestrals de regulació de la fisiologia de la reproducció dels teleostis, el grup més nombrós dels vertebrats. En aquesta tesi, els resultats de caracterització i l'anàlisi de la filogènia i la sintènia ofereixen noves perspectives de la història evolutiva del procés reproductiu dels vertebrats. L'anguila europea posseeix cinc receptors de progestàgens de membrana (mPRs) i dos nuclears (nPR o pgrs). Els mPRs de l'anguila s'engloben en dos grans grups monofilètics. L'anàlisi filogenètic dels nPRs i de la PLCz1 (una proteïna específica de l'esperma) de l'anguila respecte a les de la resta de vertebrats situa a les seqüències d'aquestes proteïnes en la base dels grups dels teleostis, la qual cosa coincideix amb la posició basals dels elopomorfos en la filogènia dels teleostis. Per tal de resoldre l'origen de la duplicitat dels nPRs de l'anguila, es realitzaren anàlisis de sintènia dels gens pròxims als dels nPRs en els genomes de diversos vertebrats. Aquests anàlisis ens permeteren formular la hipòtesi de que els nPRS duplicats de l'anguila es van originar en la tercera duplicació del genoma que es va produir en teleostis. Per arribar a entendre millor el paper dels gens implicats en la reproducció de l'anguila, s'analitzà la seua regulació durant la maduració experimental. Els canvis en la salinitat induïren augments en paral·lel del nivell plasmàtic d'E2 i de l'expressió dels receptors nuclears d'estrògens, reflectint un efecte estimulador de la salinitat sobre la ruta de senyalització d'E2 en l'eix cervell-hipòfisi-gònada, que comportaria el control de la renovació dels espermatogonis indiferenciats. Els receptors d'estrògens en l'eix cervell-hipòfisi-gònada podrien, d'aquesta forma, intervindre en l'estimulació de la síntesi d'andrògens i dels enzims esteroidogènics units a la síntesi d'andrògens. Aquesta síntesi d'andrògens no depén de la temperatura, però la continuació del procés de maduració requereix de temperatures més altes per induir un canvi en les rutes esteroidogènics cap a la síntesi d'estrògens i progestàgens. En els testicles, els progestàgens pareixen regular la meiosi mitjançant la participació dels receptors de progestàgens de membrana i nuclears, i la maduració final de l'esperma sembla estar controlada tant pels estrògens com per progestàgens de membrana. Finalment, la PLCz1 específica de l'esperma de l'anguila podria tindre una funció de rellevància en l'activació dels ous induïda pels espermatozoides, i la temperatura podria tindre el seu paper en la regulació d'aquesta, especialment durant el procés de l'espermiogènesi. Aquesta tesi ha avaluat la funció fisiològica dels gens implicats en al reproducció de l'anguila durant l'espermatogènesi, i ha demostrat que la salinitat i la temperatura tenen papers clau