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Abstract(s)
Diabetes mellitus (DM) represents one of the greatest threats to modern global health and its incidence is rapidly rising worldwide. It describes a metabolic disorder characterized by hyperglycaemia resulting from defective insulin secretion, resistance to insulin action, or both. There are two types of DM, type-1 DM (T1DM) and type-2 DM (T2DM), both associated with male infertility. T1DM is associated with insulin deprivation and although the overall in vivo effects in the reproductive function is well known, there is a lack of studies concerning about the insulin control over the physiological functions of cells from the reproductive system. Importantly, the in vivo studies are often focused after the disease is fully establish, but it is known that a prediabetic state, which is characterized by insulin resistance, precedes the development of DM, especially T2DM. With our work, we aimed to further investigate the association between DM and male infertility by analyzing several apoptotic markers and reproductive parameters. To do so, we simulated type 1 DM in cultured rat Sertoli cells and analyzed the mRNA and protein expression levels of several cellular markers involved in the mitochondrial apoptotic pathway. We also developed an animal model of prediabetes to evaluate the effect of this pathological state in the reproductive parameters as well as in the mitochondrial apoptotic pathway.
Our results lead us to suggest that insulin interferes with the interaction between pro and anti-apoptotic proteins. As the interaction of these proteins decide the cell fate and exert a strict control over the apoptotic signaling, insulin has a key role in the maintenance of the spermatogenesis. Our rat model shared many of the clinical and metabolic characteristics of the prediabetic state observed in humans such as glucose resistance and progression from normoglycaemia/normoinsulinemia to moderate hyperglycaemia/hyperinsulinemia due to food intake. This prediabetic state induced important alterations in cauda epididymis spermatozoa morphology showing that these animals may develop subfertility or fertility problems. The apoptotic signalling in cauda epididymis spermatozoa of the high-energy (HED) fed animals presented lower Bax mRNA levels and lower cytC protein levels although the apoptotic endpoint, caspase-3 activity, was not altered. This suggests that the apoptotic process may be controlled by other mechanisms rather than the mitochondrial pro-apoptotic proteins, such as the anti-apoptotic cellular systems.
Those two experimental models led us to conclude that the subfertility/infertility problems caused by DM may be mediated by insulin, which has an important effect in the regulation of the interaction between pro and anti-apoptotic proteins and special attention must be taken in the prediabetic state where crucial alterations in rat spermatozoa occurred. Due to the rising incidence and associated complications of DM and male infertility it is crucial to further investigate in these two systems to isolate possible mechanisms and evaluate the overall effects as a strategy to develop possible therapeutics.
A diabetes mellitus (DM) representa uma das maiores ameaças à saúde global moderna e a sua incidência está a aumentar rapidamente em todo o mundo. Esta doença consiste numa desordem metabólica, caracterizada por hiperglicemia, resultante de uma secreção defeituosa de insulina, resistência à ação da insulina ou ambas. Existem dois tipos de DM, tipo 1 e tipo 2, ambas as condições relacionadas com a infertilidade masculina. A DM tipo 1 está associada com a privação de insulina e embora os efeitos globais in vivo na função reprodutiva sejam bem conhecidos, há uma falta de estudos relativamente ao controlo da insulina sobre as funções fisiológicas das células do sistema reprodutivo. Sobretudo, os estudos in vivo são frequentemente feitos depois de a doença estar completamente estabelecida, mas sabe-se que há um estado pré-diabético, caracterizado por resistência à insulina, que antecede o desenvolvimento da DM, especialmente da DM tipo 2. Com o nosso trabalho, pretendemos investigar mais profundamente a ligação entre a DM e a infertilidade masculina, através da análise de vários marcadores de morte celular e de parâmetros reprodutivos. Para isso, simulámos o estado de DM tipo 1 humano em células de Sertoli de rato e analisámos os níveis de expressão de mRNA e proteína de vários marcadores de morte celular envolvidos na via mitocondrial. Por outro lado, também desenvolvemos um modelo animal de pré-diabetes de modo a reproduzir esta condição patológica e avaliar alterações produzidas nos parâmetros reprodutivos, assim como nos níveis de expressão de mRNA e proteína de marcadores de morte celular envolvidos na via mitocondrial. Os resultados obtidos levam-nos a sugerir que a insulina interfere com a interação entre proteínas pró- e anti-apoptóticas. Uma vez que esta interação pode decidir o destino celular e exercer um controlo rigoroso sobre a sinalização apoptótica, a insulina terá um papel chave na manutenção da espermatogénese. O modelo de rato utilizado compartilhava muitas das características clínicas e metabólicas do estado pré-diabético observado em humanos, tais como resistência à glucose e a progressão de normoglicemia/normoinsulinemia para hiperglicemia/hiperinsulinemia moderada devido à ingestão de alimentos. Este estado prédiabético induziu alterações significativas na morfologia dos espermatozoides da cauda do epidídimo, mostrando que esses animais poderão desenvolver problemas de subfertilidade ou de fertilidade. Na sinalização apoptótica na cauda do epidídimo, os animais sujeitos à dieta de alta energia (HED) apresentaram níveis mais baixos de mRNA Bax e da proteína citocromo C, embora a avaliação quantitativa do endpoint apoptótico, a atividade da caspase-3, não tenha evidenciado quaisquer alterações entre a situação HED e controle. Isto sugere que o processo apoptótico pode ser controlado por outros mecanismos que não somente os proteicos pró-apoptóticos mitocondriais, como por exemplo os sistemas anti-apoptóticos celulares. Os resultados obtidos com estes dois modelos experimentais levam-nos a concluir que os problemas de subfertilidade/infertilidade causados pela DM podem ser mediados pela insulina, que tem um efeito importante na regulação da interação entre proteínas pró e antiapoptóticas e, por esse motivo, deverá ser dedicada uma atenção especial às disfunções ocorridas no estado pré-diabético, onde observámos alterações cruciais na morfologia de espermatozoides epididimais de ratos. Devido à crescente incidência da DM e às complicações associadas ao nível da infertilidade masculina é fundamental aprofundar o conhecimento nestes dois sistemas, de modo a isolar possíveis mecanismos envolvidos e a avaliar os efeitos globais, como uma estratégia para desenvolver possíveis abordagens terapêuticas.
A diabetes mellitus (DM) representa uma das maiores ameaças à saúde global moderna e a sua incidência está a aumentar rapidamente em todo o mundo. Esta doença consiste numa desordem metabólica, caracterizada por hiperglicemia, resultante de uma secreção defeituosa de insulina, resistência à ação da insulina ou ambas. Existem dois tipos de DM, tipo 1 e tipo 2, ambas as condições relacionadas com a infertilidade masculina. A DM tipo 1 está associada com a privação de insulina e embora os efeitos globais in vivo na função reprodutiva sejam bem conhecidos, há uma falta de estudos relativamente ao controlo da insulina sobre as funções fisiológicas das células do sistema reprodutivo. Sobretudo, os estudos in vivo são frequentemente feitos depois de a doença estar completamente estabelecida, mas sabe-se que há um estado pré-diabético, caracterizado por resistência à insulina, que antecede o desenvolvimento da DM, especialmente da DM tipo 2. Com o nosso trabalho, pretendemos investigar mais profundamente a ligação entre a DM e a infertilidade masculina, através da análise de vários marcadores de morte celular e de parâmetros reprodutivos. Para isso, simulámos o estado de DM tipo 1 humano em células de Sertoli de rato e analisámos os níveis de expressão de mRNA e proteína de vários marcadores de morte celular envolvidos na via mitocondrial. Por outro lado, também desenvolvemos um modelo animal de pré-diabetes de modo a reproduzir esta condição patológica e avaliar alterações produzidas nos parâmetros reprodutivos, assim como nos níveis de expressão de mRNA e proteína de marcadores de morte celular envolvidos na via mitocondrial. Os resultados obtidos levam-nos a sugerir que a insulina interfere com a interação entre proteínas pró- e anti-apoptóticas. Uma vez que esta interação pode decidir o destino celular e exercer um controlo rigoroso sobre a sinalização apoptótica, a insulina terá um papel chave na manutenção da espermatogénese. O modelo de rato utilizado compartilhava muitas das características clínicas e metabólicas do estado pré-diabético observado em humanos, tais como resistência à glucose e a progressão de normoglicemia/normoinsulinemia para hiperglicemia/hiperinsulinemia moderada devido à ingestão de alimentos. Este estado prédiabético induziu alterações significativas na morfologia dos espermatozoides da cauda do epidídimo, mostrando que esses animais poderão desenvolver problemas de subfertilidade ou de fertilidade. Na sinalização apoptótica na cauda do epidídimo, os animais sujeitos à dieta de alta energia (HED) apresentaram níveis mais baixos de mRNA Bax e da proteína citocromo C, embora a avaliação quantitativa do endpoint apoptótico, a atividade da caspase-3, não tenha evidenciado quaisquer alterações entre a situação HED e controle. Isto sugere que o processo apoptótico pode ser controlado por outros mecanismos que não somente os proteicos pró-apoptóticos mitocondriais, como por exemplo os sistemas anti-apoptóticos celulares. Os resultados obtidos com estes dois modelos experimentais levam-nos a concluir que os problemas de subfertilidade/infertilidade causados pela DM podem ser mediados pela insulina, que tem um efeito importante na regulação da interação entre proteínas pró e antiapoptóticas e, por esse motivo, deverá ser dedicada uma atenção especial às disfunções ocorridas no estado pré-diabético, onde observámos alterações cruciais na morfologia de espermatozoides epididimais de ratos. Devido à crescente incidência da DM e às complicações associadas ao nível da infertilidade masculina é fundamental aprofundar o conhecimento nestes dois sistemas, de modo a isolar possíveis mecanismos envolvidos e a avaliar os efeitos globais, como uma estratégia para desenvolver possíveis abordagens terapêuticas.
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Keywords
Diabetes mellitus Diabetes mellitus - Infertilidade masculina Diabetes mellitus - Parâmetros reprodutivos Diabetes mellitus - Marcadores de morte celular Células de Sertoli
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Universidade da Beira Interior