Genomics and transcriptomics of human induced ovarian folliculogenesis

Abstract

Infertility is an increasing medical and social problem affecting more than 10% of couples of their fertile age. In Estonia, accordingly, more than 15 000 infertile couples could be suspected. In vitro fertilization (IVF) procedure is the most successful treatment for various causes of infertility. Regardless of constant improvement of pregnancy rate in IVF, the success rates are still around 30% per cycle. IVF procedure consists of three steps – the stimulation of the ovaries (called controlled ovarian hyperstimulation (COH)), fertilisation of the retrieved oocytes and culturing of embryos, and finally the embryo transfer. The expected outcome of the IVF treatment depends greatly on the effectiveness of COH, where follicle-stimulating horomone (FSH) is used to induce the (poly)folliculogenesis, as well as on the quality of oocytes. Sufficient number of mature oocytes is crucial for high pregnancy rates, compensating possible losses during follicular puncture, fertilization, embryo development and implantation, meanwhile hormone overdoses can lead to the life-threatening conditions known as ovarian hyper-stimulation syndrome (OHSS). The response to the FSH stimulation varies substantially among individuals and is difficult to predict. Several markers have been proposed, but the search for optimal markers that could predict COH outcome and also a good-quality oocyte, enabling thereby better IVF treatment outcome, is ongoing. In the current thesis we studied polymorphisms in genes involved in folliculogenesis – aromatase gene, estrogen receptor genes and genes involved in folate metabolism, and their influence on COH and IVF outcome in women undergoing IVF procedure. Also the importance of different polymorphisms in the etiology of female infertility was assessed. In addition, in order to add more understanding to the field of follicular biology in IVF treatment, gene expression profiles of mural granulosa cells and cumulus granulosa cells were analysed. The results of the current thesis demonstrate that the genetic variation in genes involved in folliculogenesis influences the stimulatory effect of FSH used in ovarian stimulation in IVF patients and are associated with etiology of female infertility. The knowledge of the individual’s genetic background would enable to predict the FSH doses needed for optimal ovarian stimulation in IVF treatment in order to avoid the poor response or hyper-response to the hormonal ovarian stimulation. Further, the data of the granulosa cell gene expression add information to the process of hormonal stimulation in IVF, which could be applied in improving IVF treatment protocols and embryo selection. These findings, together with previous studies have great importance for future development in infertility treatment, allowing to individualise the patient’s COH protocols and to make thereby IVF procedure safer and more effective.Viljatus on levinud meditsiiniline probleem, millega puutub kokku kuni 10% reproduktiivses eas paaridest. Viljatuse e. infertiilsuse all mõistetakse olukorda, kus paaril ei ole õnnestunud vähemalt ühe aasta jooksul rasestuda. Lastetuse ravis saavutatakse kõige paremaid tulemusi kehavälise viljastamise e. IVF-meetodil. IVF-protseduur koosneb kolmest etapist: i) ettevalmistavast ravietapist; ii) munarakkude viljastamisest ja iii) embrüote kultiveerimisest ning siirdamisest. IVF-protseduuri ettevalmistava ravietapi eesmärgiks on paljude folliikulite arengu stimuleerimine e. kontrollitud ovariaalne hüperstimulatsioon (COH). Keskmiselt rasestub IVF-protseduuri järgselt siiski ainult 30% naistest. IVF-protseduuri edukus sõltub erinevatest kliinilistest faktoritest; ennekõike naise vanusest, viljatuse põhjusest, COH-i tulemuslikkusest (munarakkude arv ja kvaliteet) ning emakasse siiratud embrüote arengupotentsiaalist. IVF-i hormonaalne stimulatsioon on edukas, kui punktsioonil saadakse piisavalt ning hea kvaliteediga munarakke. COH-i edukust hinnatakse kasutatud FSH koguse, folliikulite ja munarakkude arvu ning kvaliteedi alustel. COH-i edukus sõltub erinevatest faktoritest. Üheks peamiseks faktoriks on naise vanus; naise vananedes ovariaalne reserv ning stimulatsiooni tulemuslikkus halvenevad. COH-i edukusel on samuti väga suur tähtsus naise geneetilistel faktoritel, ennekõike polümorfismidel (variatsioonidel) follikulogeneesi mõjutavates geenides. Viimaste aastate uuringute tulemused on näidanud mitmete polümorfismide mõju viljatuse ravis, kuid samas on jäänud paljude kandidaatgeenide olulisus COH-i ja IVF-i tulemuslikkuse määramisel veel selgusetuks. Käesoleva doktoritöö eesmärgiks oli analüüsida indutseeritud ovariaalset follikulogeneesi mõjutavate geneetiliste faktorite – geenide variatsioonide ja geeniekspressiooni mustri – mõju IVF tulemuslikkusele ning viljatuse patogeneesile. Analüüsiti nimetatud geenivariatsioonide seoseid naise viljatuse põhjuste, COH-i tulemuslikkuse ja rasestumise tõenäosusega IVF-protseduuris. Lisaks hinnati folaadi metabolismi biokeemiliste markerite (seerumi folaat, vitamiin B12 ja homotsüsteiin) seoseid folaadi metabolismi raja geenide variatsioonide, viljatuse patogeneesi ja IVF tulemuslikkusega. Folliikli granuloosa rakkude geeniekspressiooni analüüsi käigus võrreldi IVF-patsientidel erinevate funktsionaalsete rakupopulatsioonide (muraalne ja kumuluse granuloosa rakkude) geeniekspressiooni mustrit. Käesoleva uurimistöö tulemused näitavad, et geneetilised variatsioonid follikulogeneesiga seotud geenides mõjutavad hormonaalse stimulatsiooni tulemuslikkust ning rasedustulemusi IVF ravis ning samuti on seotud viljatuse etioloogiaga. Folliikuli muraalse ja kumuluse granuloosa rakkude geeniekspressiooni analüüs tõi esile rakupopulatsiooni-spetsiifilise geeniekspressiooni mustri. Saadud informatsiooni on võimalik rakendada IVF ravi ovariaalsete hormonaalsete stimulatsiooniskeemide täiustamisel ning embrüote mitteinvasiivsete selektsioonimeetodite arendamisel. Kokkuvõtteks, uuringu tulemustel on tähtis mõju lastuse ravi edasisele arengule, kuna geneetilise tausta arvestamine hormonaalse stimulatsiooni läbiviimisel võimaldab muuta viljatuse ravi ohutumaks ning edukamaks. Lisaks aitavad uurimistöö tulemused granuloosa rakkude geeniekspressiooni analüüsil parandada IVF ravi hormonaalset stimulatsiooni, embrüote selektsiooni ja rasestumise tõenäosust.