Female ageing alters oocyte DNA methylation, gene transcription and H3 lysine methylation. A single-cell study

Abstract

Female reproductive ageing is associated with oocyte quality decline and increased risk of maternofoetal complications during early embryo implantation and pregnancy. DNA methylation is an important epigenetic mark involved in gene regulation that can be affected by environmental factors, such as age and diet. The aim of this study was to assess oocyte methylome and transcriptome in order to identify age-associated changes that may in part explain the aged-associated decline in female fertility. Single oocytes were collected from young and old female mice. Parallel whole-genome bisulfite sequencing and RNA sequencing analysis was performed in individual cells in both groups. Results showed that DNA methylation is predominantly lost in differentially methylated domains. Gene expression of lowly expressed genes were also affected. A positive correlation was identified between gene expression and DNA methylation at gene bodies of specific developmental genes involved in BMP signalling pathways and extracellular matrix function. An immunostaining assay revealed that old oocytes present altered deposition of histone 3 lysine 4 tri-methylation (H3K4me3) and lysine 27 acetylation (H3K27ac), epigenetic modifications that are associated with active transcription. Furthermore, old oocytes presented irregular chromatin configuration and bigger nuclear size than their young counterpart. Overall, this study reveals that female age influences oocyte gene expression and DNA methylation, and moreover, leads to notable nuclear and cellular organizational changes in germinal vesicle oocytes.

Resumen: El envejecimiento reproductivo femenino se asocia con baja calidad de los ovocitos y complicaciones en la implantación y gestación. La metilación del DNA es una marca epigenética ampliamente estudiada involucrada en la regulación génica y es afectada por factores ambientales como la dieta y la edad. El objetivo de este estudio era evaluar el metiloma y el transcriptoma de ovocitos con el fin de identificar aspectos asociados a la disminución de la fertilidad femenina con la edad. Se colectaron ovocitos individuales de ratonas jóvenes y viejas. Para cada muestra se realizó un estudio de amplificación del genoma completo tratado con bisulfito, en paralelo con la secuenciación del transcriptoma. Los resultados obtenidos mostraron que la metilación del DNA disminuye en amplias regiones con metilación diferencial en los ovocitos viejos, al igual que la expresión de genes específicos del desarrollo también se ve afectada. Se encontró una relación positiva entre la metilación intra-génica y la expresión de genes asociados a la vía de señalización de BMP (proteína morfogénica de hueso, BMP por sus siglas en inglés) y el funcionamiento de la matriz extracelular. En un ensayo de inmunofluorescencia se encontró que los ovocitos viejos tienen alterada la cantidad de lisina 4 tri-metilada y lisina 27 acetilada en la histona 3 (H3K4me3 y H3K27ac respectivamente), ambas marcas asociadas con regiones transcripcionalmente activas. El tamaño del citoplasma y del núcleo son mayores en los ovocitos viejos que en los jóvenes. En conclusión, en este estudio se encontró que la edad femenina afecta significativamente la expresión génica y la metilación de DNA en los ovocitos, y adicionalmente conlleva cambios celulares a nivel estructural