Sperm-borne Small RNA: Environmental Influence and Embryonic Development

In paper I, a bioinformatic workflow for analysing small RNAs is presented, where sequence information is retained throughout the workflow to allow for a transparent analysis. This workflow is performed within one programming language and is available on all operating systems and for both high- and low-end computational powers, making the analysis highly accessible.

In paper II, dietary effects on Drosophila sperm were studied. The additions of dietary sugar and antioxidants were studied physiologically and on small RNA transcription levels. This study highlighted that diet-dependent Reactive Oxygen Species production from mitochondria shifted sperm-borne microRNAs, while a sugar diet changed mitochondrial small RNA production independently of oxygen species.

In paper III, sperm-borne small RNA in a population undergoing In Vitro-Fertilisation treatment was studied to further understand the role of small RNA in sperm quality and reproductive health. Small RNA originating from Y-RNA and mitochondria was found to be relevant markers for sperm quality, while specific microRNA and ribosomal RNA were important for early embryonic development.

In summary, this thesis diversifies the understanding of sperm-borne small RNA, their environmental plasticity and their role in reproduction.

Nästan varje cell i vår kropp innehåller arvsmassa i form av nukleinsyran DNA, som består av all genetisk information kroppens celler behöver för att kunna bli specialiserade. Det som skiljer en platt hudcell, pumpande hjärtcell, eller en slemproducerande tarmcell åt är inte den genetiska informationen, utan hur och när gener stängs av och på. Ett sätt detta styrs på är små RNA, som i sin kemiska grund består av liknande byggstenar som DNA. Små RNA är särskilt viktiga i tidig embryoutveckling, då en enda cell har potentialen att utvecklas till varenda celltyp i den vuxna kroppen. Det är därför av stor betydelse att förstå vilka små RNA som är närvarande vid detta kritiska vägskäl.

I denna avhandling har jag med min forskargrupp i tre delprojekt fokuserat på vilka små RNA som förs över till embryot via spermien. För att undersöka detta har jag parallellt arbetat med prov från patienter som sökt vård för provrörsbefruktning och prov från bananfluga. I projekt I utformades en ny metod för att analysera dessa RNA, då de tillgängliga metoderna inte var tillräckliga för den breda analys vi önskade utföra. Metoden finns nu tillgänglig för öppen tillgång under namnet SeqPac. I projekt II gav vi flugor olika dieter med skilda sockernivåer där vi kunde se att både protein och små RNA i flugans spermier förändras när de äter socker. Många av de proteiner som förändrades var relaterade till metabolism. En stor del av de små RNA som är känsliga för sockerintag härstammar från cellens energifabrik mitokondriens eget DNA, och dessa var relaterade till spermiens kvalitet hos människa. I projekt III har vi kartlagt små RNA i spermier från par som sökt IVF-behandling vid Linköpings Universitetssjukhus. Vi fann att spermiekvalitet är relaterad till nivåer av två specifika typer av små RNA – de från mitokondrien och de som kallas Y-RNA, som tidigare visats relevanta i autoimmuna sjukdomar. Närvaron av vissa typer av mikroRNA i spermien visade sig vara viktigt för embryokvalitet. Då en sjättedel av världens befolkning påverkas av ofrivillig barnlöshet är det viktigt att förstå de underliggande orsakerna på djupet, för att kunna utveckla morgondagens diagnostik och behandling.

Sammantaget har jag i denna avhandling studerat små RNA-profiler i spermier hos människa och fluga, identifierat faktorer som kan påverka dem samt hur de relaterar till spermiers reproduktiva förmåga.