Role of the mitochondria during mammalian preimplantation embryogenesis.

Abstract

Mitochondria play a vital role during oogenesis and preimplantation embryogenesis in mammals. They are responsible for such activities like ATP synthesis, calcium homeostasis, production of reactive oxygen species (ROS) or apoptosis. They are the most abundant organelles in mammalian oocyte and early embryo, and their number can be used as the indicator of the developmental competence. Because mitochondria does not replicate before the implantation of the embryo, their functional and numerical disorders may lead to the impaired embryogenesis or embryo arrest. Structural transformation of the mitochondria are essential for the proper development of the early embryo. Mitochondria answer in this way to the increasing energy demand of the developing embryo. Metabolism of mammalian embryos depends on the species and developmental stage of the embryo. For example, in mouse and human glucose is used in a very limited scale and may even inhibit early embryogenesis while in the culture medium. On the contrary, in porcine early embryos glucose is essential for proper embryogenesis and is metabolized from the first cell division of the embryo. The subplasmalemmal population of mitochondria with high inner membrane potential ∆ᴪm participates in intracellular calcium signaling and is essential for the functional response to changes in embryo environment. Mammalian embryos posses a high sensitivity to oxidative stress so it is important to maintain optimal conditions of the culture medium in order to prevent the increased ROS production. Finding all of the features that describes high developmental competence of oocytes and embryos may be crucial for obtaining the minimal amount of fertilized embryos with the highest probability of implantation during in vitro fertilization treatment (IVF). The purpose of this review is to discuss issues associated with mitochondrial functions during mammalian oogenesis and preimplantation embryogenesis. Discussion is based on the three model organisms: mouse, pig and human.Mitochondria odgrywają kluczową rolę podczas oogenezy i wczesnej embriogenezy ssaków. Cechują się funkcjonalną wszechstronnością będąc zaangażowane między innymi w syntezę ATP, gospodarkę wapniową komórek, produkcję reaktywnych form tlenu oraz apoptozę. Są najliczniejszymi organellami występującymi w oocytach i komórkach wczesnych zarodków, a ich liczba może być wyznacznikiem potencjału rozwojowego zarodka. Replikacja mitochondriów w zarodkach ssaków zachodzi dopiero po implantacji, stąd zaburzenia w liczbie oraz funkcjonowaniu mitochondriów prowadzą do nieprawidłowej embriogenezy lub całkowitego jej braku. Transformacje mitochondriów z form o „prymitywnej” budowie i niewielkiej aktywności metabolicznej, do form o budowie złożonej oraz wysokiej aktywności, są niezbędne aby rozwijający się zarodek odpowiedział podwyższonym metabolizmem na zwiększające się potrzeby energetyczne. Sam metabolizm zarodków ssaków zależy od ich stadium rozwojowego oraz jest specyficzny gatunkowo. Na szczególną uwagę zasługuje metabolizm glukozy, która jest w minimalnym stopniu wykorzystywana przez wczesne zarodki myszy i człowieka, mogąc mieć wręcz inhibujący wpływ na ich rozwój, natomiast u świni jest niezbędnym substratem energetycznym już od pierwszych podziałów komórkowych. Podbłonowa populacja mitochondriów o wysokim potencjale wewnętrznej błony mitochondrialnej ∆ᴪm pełni w oocytach i przedimplantacyjnych zarodkach ważne funkcje, odbierając sygnały ze środowiska zewnętrznego i kontrolując procesy wewnątrzkomórkowe poprzez sygnalizację jonami wapnia. Aktywność metaboliczna mitochondriów generuje reaktywne formy tlenu, na których działanie zarodki ssaków są szczególnie wrażliwe. Ważne jest dlatego utrzymanie odpowiednich warunków hodowli in vitro tych zarodków, celem minimalizacji stresu oksydacyjnego. Zrozumienie wszystkich procesów, w których biorą udział mitochondria, pozwala na określenie czym charakteryzuje się zdolny do rozwoju oocyt i zarodek. Ma to znaczenie w leczeniu bezpłodności metodą zapłodnienia in vitro, gdzie dąży się do zapładniania tylko oocytów, posiadających największe szanse na rozwój in vivo. Niniejsza praca przedstawia jak funkcje oraz własności mitochondriów wpływają na embriogenezę ssaków. Problem został ujęty pod kątem trzech modelowych organizmów: myszy, świni i człowieka