Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10348/10543
Title: Chromosomes and fertility in Sus scrofa and Bos taurus: an analysis of progenitors and embryos
Authors: Ribeiro, Carla Filipa Canedo da Costa
Advisor: Griffin, Darren
Adega, Maria Filomena Lopes
Keywords: aneuploidy
chromosomal error
Issue Date: 13-Apr-2021
Abstract: Efficient breeding of livestock species, such as pig and cattle, has become a priority due to the rising global food demand fuelled by the human population increase. The number of people on the planet is expected to rise from 7.8 billion (currently) to 9.7 billion in 2050. To optimize breeding efficiency and produce individuals with high genetic merit and so capable to produce more using fewer resources, new technologies have been developed. These include in vitro production (IVP) of embryos and preimplantation genetic testing (PGT). Producing livestock embryos by IVP using sperm and oocytes from elite parents can dramatically increase the breeder’s ability to select the most promising animals. This can lead to rapid improvement of the target livestock population. One drawback of IVP however is that they suffer from a high incidence of chromosomal abnormalities such as aneuploidy. This can lead to clinical syndromes, infertility, and miscarriages, but can be detected through preimplantation genetic testing for aneuploidy (PGT-A). In this dissertation, three different PGT-A algorithms: Karyomapping, BAF/LRR and Gabriel-Griffin plots, were applied on two cattle embryo DNA marker databases to investigate aneuploidy presence, class, parental and mechanistic origin, overall and as related to embryo sex and quality. In pigs, for the first time in this species, a novel IVP protocol was optimised and applied on selected donors to produce embryos, which could be screened by the same three PGT-A algorithms mentioned above. In the first cattle dataset, embryos were produced from different oocyte retrieval protocols (stimulation or coasting) or in-vivo and were dissected in their two tissues: inner cell mass (ICM) and trophectoderm (TE). PGT-A analysis found a higher aneuploidy incidence in embryos from oocyte retrieval protocols. It was also found that TE biopsies are a useful tool to perform PGT-A, due to their high concordance (in terms of chromosome constitution) with the ICM. In the second cattle dataset, embryos from a commercial breeding programme were analysed in a retrospective study. Following PGT-A and the elective use of euploid embryos, pregnancy and live birth rates could be improved while reducing the number of embryo transfer performed. In cattle, the majority of aneuploidies detected were monosomies, followed by trisomies of meiosis I origin; both types were more common in the oocyte. Triploid and hypotriploid cases were also discovered. Male embryos were more common and had a higher incidence of aneuploidy when compared to female embryos. In pigs, the IVP protocol designed resulted in high cleavage and blastocyst rates with excellent quality embryos, from which TE and ICM biopsies were collected. For the few first samples for which a full DNA analysis was available at the time of writing, BAF/LLR graphs were constructed, and two samples were identified as euploid. The results presented suggest that the application PGT-A could have a significant impact on embryo IVP and therefore on the future of breeding programmes and global food production. Moreover, they provide an original insight into the mechanics of aneuploidy origin and distribution in livestock embryos, the knowledge of which can guide future IVP optimisation strategies.
A criação eficiente de espécies de gado, como suíno e bovino, tornou-se uma prioridade devido à crescente necessidade de produção de alimentos. Para 2050, é estimado um aumento até 9,7 bilhões na população humana. Para otimizar a produção destas espécies com alto mérito genético e em maior quantidade com menos recursos, novas tecnologias têm sido desenvolvidas, como a produção in vitro (IVP) de embriões e o teste genético pré-implantação (PGT). A produção de embriões por IVP, usando espermatozoides e oócitos previamente selecionados, pode melhorar drasticamente a capacidade do criador de selecionar os animais mais promissores, levando a uma rápida melhoria da população. No entanto, embriões produzidos por IVP tendem a ter uma incidência alta de anomalias cromossómicas, como aneuploidias, levando a síndromes clínicas, infertilidade e abortos. Estas aneuploidias podem ser detetadas por meio de testes genéticos pré-implantação para aneuploidia (PGT-A). Nesta dissertação, três algoritmos PGT-A diferentes – Karyomapping, gráficos BAF/LRR e Gabriel-Griffin – foram aplicados em duas bases de dados de marcadores de DNA em embriões bovinos para investigar a presença de aneuploidia, classe, origem parental e mecanismo. Pela primeira vez em porcos, um novo protocolo de IVP foi otimizado e aplicado em indivíduos previamente selecionados para obter embriões, para rastrear a sua origem e, posteriormente, analisar pelos algoritmos PGT-A supramencionados. Na primeira base de dados de bovinos, foram produzidos embriões através de diferentes protocolos de obtenção de oócitos (estimulação ou "coasting") ou in vivo, sendo submetidos à dissecação de duas linhas celulares: massa celular interna (ICM) e trofoectoderme (TE). A análise através de PGT-A demonstrou uma maior incidência de aneuploidia em embriões com origem em protocolos de obtenção de oócitos. Verificou-se também que as biópsias da TE são uma ferramenta útil para realizar PGT-A, devido à sua alta concordância com a ICM. Já na segunda, embriões de um programa comercial de criação de gado foram analisados num estudo retrospetivo. Após PGT-A e o uso seletivo de embriões euploides, as taxas de gestação e natalidade podem ser melhoradas, reduzindo o número de transferências de embriões. Em bovinos, a maioria das aneuploidias detetadas foram monossomias, seguidas por trissomias com origem na meiose., as quais tiveram mais incidência no oócito. Também foram encontrados casos de triploidia e hipotriploidia. Foram diagnosticados com maior frequência embriões do sexo masculino com maior incidência de aneuploidia quando comparados com embriões do sexo feminino. Em porcos, o protocolo de IVP desenhado resultou em altas taxas de divisão e blastocisto com embriões de excelente qualidade, das quais foram colhidas biópsias da TE e ICM. Para as primeiras amostras, com análises completas de DNA disponíveis aquando a escrita desta dissertação, foram construídos gráficos BAF/LLR e identificadas duas amostras como euploides. Os resultados apresentados sugerem que a aplicação de PGT-A poderá ter um impacto significativo na IVP de embriões e, consequentemente, no futuro dos programas de reprodução e na produção global de gado. Ademais, fornecem uma visão original sobre o mecanismo da origem e distribuição de aneuploidias em embriões de gado, cujo conhecimento poderá orientar futuras estratégias de otimização de IVP.
Description: This original research was developed to achieve the Master’s Degree in Biotechnology for Health Sciences
URI: http://hdl.handle.net/10348/10543
Document Type: Master Thesis
Appears in Collections:DGB - Dissertações de Mestrado
TD - Dissertações de Mestrado

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