Studies on heat-stress responses in the mouse male germ cells.

Abstract

The mammalian male germ cells are exceptionally labile to heat stress. Hence, the mouse testis should be maintained 3-5°C under the core body temperature (37°C). Modern life styles frequently force male germ cells to be exposed to hot weather and environmental chemicals. Even male age at first birth increases every year. In order to sustain male fertility, it is important to extend understandings for environmental stress-protective mechanisms in male germ cells.

First, I determined the sequential germ cell protective events upon eIF2α phosphorylation in male germ cells, using ISRIB, an inhibitor of downstream signaling of eIF2α phosphorylation. ISRIB significantly reduced stress granule (SG) formation in spermatocytes at early (III-IV) stages of seminiferous tubules and induced the number of apoptotic germ cells at late (XI-XII) stages of seminiferous tubules near the onset of meiosis. Based on the results, I proposed that eIF2α phosphorylation and SG assembly play an important role to protect germ cell damage from acute heat stress. Continuously, I emphasized the importance of eIF2α phosphorylation for immediate germ-cell protection against acute heat exposure (42°C, 20 minutes). Collectively, I observed that all known eIF2α kinases were expressed in lineage- and developmental stage-specific manners in the testis.

Second, I investigated effects of a prolonged heat stress on the whole body. I found that a short-term mild heat treatment induced eIF2α phosphorylation but did not induce SG formation. However, an extended mild-heat exposure up to 6 hours bypassed the protective mechanism and resulted in a mild-germ cell death and blood-testis barrier disruption, especially at seminiferous tubule stage VII-VIII. Furthermore, I observed that a long-exposure of severe heat (42°C, 6h) did not induce eIF2α phosphorylation and SG formation as protective mechanisms, but resulted in a severe germ cell apoptosis. Male germ cells at seminiferous tubule VII-VIII were most sensitive to a prolonged heat stresses. Based on the results, I propose that heat stresses induce multiple damages at both cellular and tissue levels. Male germ cells are directly damaged by heat stresses through stress response pathways whose nature remains to be elusive. Heat stress also affects tight junctions of Sertoli cells, which results in tissue level defects.

Finally, aged mice were more sensitive to heat stress than young mice, which has been measured by p38MAPK phosphorylation, and PARP cleavages, blood-testis barrier disruption and apoptosis. Such multiple damages may simultaneously contribute to testicular tissue disarray and germ cell apoptosis upon heat stress.

수컷 포유류의 생식 세포는 열 스트레스에 매우 민감하다. 특히 마우스의 정소는 체온 (37 °C) 보다 3 °C에서 5 °C정도 낮게 유지되어야 정상적인 정자 형성이 가능하다. 현대 남성의 생활 양식은 생식 세포 및 정소가 더운 날씨와 화학적 물질에 노출될 수 있는 경우가 많으며, 남성 초혼의 연령도 매년 증가하는 추세이다. 따라서 남성의 생식 능력을 오랫동안 건강하게 유지 및 보호하기 위해서는 남성의 정자 형성 과정을 자세히 습득하고, 남성 생식 세포에서 일어나는 환경적 스트레스에 대한 피해 및 보호 메커니즘에 관한 이해를 넓히는 것이 중요하다.

첫 째로 나는 ISRIB를 사용하여 eIF2α 인산화의 다음 기전을 억제함으로써 남성 생식 세포에서 eIF2α 인산화 다음으로 일어나는 순차적인 보호 메커니즘 순서를 정립하였다. 결론적으로, ISRIB은 seminiferous tubule 초기 (III-IV) 단계에서 spermatocytes 특이적인 stress granule (SG) 형성을 현저히 감소시키고, seminiferous tubule 후기 (XI-XII) 단계에서의 germ cell apoptosis의 현저한 증가를 유도했다. 이 결과를 바탕으로, 나는 eIF2α 인산화가 급성 열 스트레스로부터 생식 세포 손상을 보호하는 데 중요한 역할을 한다고 제안한다. 나는 또한 4개의 모든 eIF2α 키나아제 (Hri, Pkr, Perk, 그리고 Gcn2)가 고환에서 계통 발달 단계 특이적으로 발현된다는 것을 관찰했다. 종합적으로, 나는 급성 열 노출 (42 ℃, 20 분)에 의한 즉각적인 eIF2α 인산화 반응을 생식 세포 의 중요한 열 스트레스에 대한 보호 메커니즘 이라고 생각한다.

다음으로는 마우스 전체 (mouse whole-body)를 비교적 체온 정도의 온화한 온도 (37 °C)에 장시간 노출 시켰을 때, 앞서 보았던 수컷 생식 세포에서의 방어 메커니즘이 지속되는지 연구 하였다. 단기간의 온화한 열 처리는 eIF2α의 인산화를 유도하였으나, SG 형성을 유도하지는 못했다. 반면에, 6 시간까지 연장 된 약한 열 노출은 보호 메커니즘을 우회하여, 특히나 seminiferous tubule VII-VIII 단계에서 경미한 germ cell apoptosis및 blood-testis barrier파괴를 초래했다. 또한, 나는 장기간의 급성 열 스트레스 (42 ℃, 6 시간) 노출이 eIF2α 인산화 및 SG 형성을 방어 메커니즘을 유도하지는 않았지만, 높은 확률의 생식 세포 사멸을 유도한다는 것을 관찰했다. 특히seminiferous tubule VII-VIII 단계에서의 남성 생식 세포는 열 스트레스에 가장 민감했다.

나이가 든 (15-month-old) 마우스는 어린 (3-month-old) 마우스와 비교하여, 온화한 열 스트레스에 장시간 노출 되었을 때, p38MAPK 인산화에 의한 PARP cleavage가 관찰 되었으며, 이는 나아가 germ cell apoptosis의 증가와 blood-testis barrier의 차단 장애를 악화시켰다. 즉, 노화는 남성 생식 세포의 열 스트레스에 대한 민감도를 증가시킨다고 이해 할 수 있다.

이 결과들을 바탕으로, 나는 열 스트레스가 세포 및 조직 수준에서 여러 손상을 유발한다는 것을 제안 한다. 열 스트레스에 노출 된 남성 생식 세포는 다양한 스트레스 반응 경로들을 통해 직접적으로 손상되며, 그러므로 이러한 다양한 성질을 완벽히 파악하기는 아직 부족하다. 또한 열 스트레스는 Sertoli 세포의 tight junction에도 영향을 미치므로 조직 수준의 결함을 초래하며, 이러한 복합적인 손상은 고열 스트레스에 정소가 노출 되었을 때 나타나는 고환 조직의 손상 및 생식 세포 사멸의 직접적인 원인이 될 수 있다.