Идентификация биомаркеров фертильности быков на основе метаболомного анализа сперматозоидов и семенной плазмы
Аннотация
Обоснование. Фертильность является ключевым фактором в животноводстве, при этом качество спермы существенно влияет на эффективность искусственного осеменения. Перспектива прогнозирования возможного статуса фертильности молодых быков привела к обширным исследованиям по определению биомаркеров, которые можно использовать для улучшения отбора по признакам фертильности на ранних этапах жизни. Исследование метаболома сперматозоидов и семенной плазмы может пролить свет на ключевые механизмы, регулирующие мужскую фертильность и репродуктивные процессы, идентифицировать соответствующие биомаркеры и понять метаболические пути, влияющие на оплодотворяющую способность семени и другие параметры, характеризующие качество эякулята.
Целью исследования являлся анализ литературных данных о панорамном метаболоме спермы и семенной плазмы крупного рогатого скота в аспекте репродуктивной способности быков.
Методы исследования. Был осуществлен поиск статей в базах данных PubMed и Google Scholar с использованием терминов «sperm bull metabolome», «seminal plasma bull metabolome» «high fertility bull metabolome» и «low fertility bull metabolome». Были собраны данные, опубликованные на английском языке в период 2012–2025 гг.
Результаты. Современные аналитические методы, включая жидкостную хроматографию с масс-спектрометрией и ядерный магнитный резонанс, позволяют идентифицировать от нескольких десятков до нескольких тысяч метаболитов в образцах. В результате анализа литературных данных выявлены ключевые метаболиты семенной плазмы: аминокислоты (лейцин, изолейцин, фенилаланин, тирозин, глутамат), органические кислоты (цитрат, лактат), углеводы (фруктоза) и липидные компоненты (глицерофосфохолин, лизофосфатидилхолин). В сперматозоидах наибольшее значение имеют энергетические метаболиты (ацетилкарнитин, молочная кислота), серосодержащие соединения (гипотаурин, таурин, селеноцистин, D-цистеин), нейротрансмиттеры (ГАМК) и компоненты клеточных мембран. Обнаружены противоречивые результаты для некоторых метаболитов (гипотаурин, селеноцистин, L-яблочная кислота), что указывает на необходимость стандартизации методологических подходов. Выявленные метаболические сигнатуры отражают функциональные различия между сперматозоидами быков с различной фертильностью и подвижностью.
Заключение. Полученные результаты демонстрируют перспективность использования метаболомного анализа для идентификации биомаркеров раннего прогнозирования репродуктивного потенциала быков-производителей, что позволит оптимизировать отбор племенных животных, сократить интервал между поколениями и повысить эффективность программ искусственного осеменения в животноводстве.
Информация о спонсорстве. Исследование было выполнено при поддержке Российского научного фонда, проект № 24-16-00198 «Идентификация биомаркеров фертильности быков с использованием анализа метаболома и генома крупного рогатого скота», https://rscf.ru/project/24-16-00198/.
EDN: EFCLSR
Скачивания
Литература
Amann, R. P., & DeJarnette, J. M. (2012). Impact of genomic selection of AI dairy sires on their likely utilization and methods to estimate fertility: A paradigm shift. Theriogenology, 77(5), 795–817. https://doi.org/10.1016/j.theriogenology.2011.09.002
Camargo, M., Intasqui, P., & Bertolla, R. P. (2018). Understanding the seminal plasma proteome and its role in male fertility. Basic and Clinical Andrology, 28(6). https://doi.org/10.1186/s12610-018-0071-5. EDN: https://elibrary.ru/UNCHAZ
Cao, W., Sun, W., Chen, S., Jia, X., Wang, J., & Lai, S. (2023). Comprehensive analysis of microRNA and metabolic profiles in bovine seminal plasma of different semen quality. Frontiers in Veterinary Science, 10, 1088148. https://doi.org/10.3389/fvets.2023.1088148. EDN: https://elibrary.ru/RQYYYN
Darr, C. R., Varner, D. D., Teague, S., Cortopassi, G. A., Datta, S., & Meyers, S. A. (2016). Lactate and pyruvate are major sources of energy for stallion sperm with dose effects on mitochondrial function, motility, and ROS production. Biology of Reproduction, 95(2), 34. https://doi.org/10.1095/biolreprod.116.140707
Dasgupta, M., Kumaresan, A., Saraf, K. K., Nag, P., Sinha, M. K., Aslam, M. K. M., Karthikkeyan, G., Prasad, T. S. K., Modi, P. K., Datta, T. K., Ramesha, K., Manimaran, A., & Jeyakumar, S. (2022). Deep metabolomic profiling reveals alterations in fatty acid synthesis and ketone body degradations in spermatozoa and seminal plasma of astheno oligozoospermic bulls. Frontiers in Veterinary Science, 8, 755560. https://doi.org/10.3389/fvets.2021.755560. EDN: https://elibrary.ru/SSJIMB
Dipresa, S., De Toni, L., & Garolla, A. (2018). New markers for predicting fertility of the male gametes in the post genomic era. Protein and Peptide Letters, 25(5), 434–439. https://doi.org/10.2174/0929866525666180418120635
Emwas, A.-H., Roy, R., McKay, R. T., Tenori, L., Saccenti, E., Gowda, G. A. N., Raftery, D., AlAhmari, F., Jaremko, L., Jaremko, M., et al. (2019). NMR spectroscopy for metabolomics research. Metabolites, 9(7), 123. https://doi.org/10.3390/metabo9070123. EDN: https://elibrary.ru/LBYNVC
Fagerlind, M., Stålhammar, H., Olsson, B., & Klinga Levan, K. (2015). Expression of miRNAs in bull spermatozoa correlates with fertility rates. Reproduction in Domestic Animals, 50(4), 587–594. https://doi.org/10.1111/rda.12531
Fair, S., & Lonergan, P. (2018). Review: Understanding the causes of variation in reproductive wastage among bulls. Animal, 12(S1), S53–S62. https://doi.org/10.1017/S1751731118000964
Fukusaki, E. (2014). Application of metabolomics for high resolution phenotype analysis. Mass Spectrometry, 3(Spec Iss 3), S0045. https://doi.org/10.5702/massspectrometry.S0045
García Vázquez, F. A., Gadea, J., Matás, C., & Holt, W. V. (2016). Importance of sperm morphology during sperm transport and fertilization in mammals. Asian Journal of Andrology, 18(6), 844–850. https://doi.org/10.4103/1008-682X.186880
Giaretta, E., Damato, A., Zennaro, L., Bonfatti, V., Mislei, B., Vigolo, V., Falomo, M. E., Bertuzzo, F., Gabai, G., & Bucci, D. (2025). Metabolome and oxidative stress markers in the seminal plasma of Holstein bulls and their relationship with the characteristics of fresh and frozen/thawed sperm. Theriogenology, 235, 262–274. https://doi.org/10.1016/j.theriogenology.2025.01.015. EDN: https://elibrary.ru/MLYIQA
Govindaraju, A., Uzun, A., Robertson, L., Atli, M. O., Kaya, A., Topper, E., Crate, E. A., Padbury, J., Perkins, A., & Memili, E. (2012). Dynamics of microRNAs in bull spermatozoa. Reproductive Biology and Endocrinology, 10(82). https://doi.org/10.1186/1477-7827-10-82. EDN: https://elibrary.ru/LBMSLM
Gromski, P. S., Muhamadali, H., Ellis, D. I., Xu, Y., Correa, E., Turner, M. L., & Goodacre, R. (2015). A tutorial review: Metabolomics and partial least squares discriminant analysis — a marriage of convenience or a shotgun wedding? Analytica Chimica Acta, 879, 10–23. https://doi.org/10.1016/j.aca.2015.02.012. EDN: https://elibrary.ru/UOEXSP
Guijas, C., Montenegro Burke, J. R., Warth, B., Spilker, M. E., & Siuzdak, G. (2018). Metabolomics activity screening for identifying metabolites that modulate phenotype. Nature Biotechnology, 36(4), 316–320. https://doi.org/10.1038/nbt.4101
Kasvandik, S., Sillaste, G., Velthut Meikas, A., Mikelsaar, A. V., Hallap, T., Padrik, P., Tenson, T., Jaakma, Ü., Kõks, S., & Salumets, A. (2015). Bovine sperm plasma membrane proteomics through biotinylation and subcellular enrichment. Proteomics, 15(11), 1906–1920. https://doi.org/10.1002/pmic.201400297
Kaya, A., & Memili, E. (2016). Sperm macromolecules associated with bull fertility. Animal Reproduction Science, 169, 88–94. https://doi.org/10.1016/j.anireprosci.2016.02.015
Kumar, A., Kroetsch, T., Blondin, P., & Anzar, M. (2015). Fertility associated metabolites in bull seminal plasma and blood serum: 1H nuclear magnetic resonance analysis. Molecular Reproduction and Development, 82(2), 123–131. https://doi.org/10.1002/mrd.22450
Kwon, W. S., Rahman, M. S., Ryu, D. Y., Park, Y. J., & Pang, M. G. (2015). Increased male fertility using fertility related biomarkers. Scientific Reports, 5, 15654. https://doi.org/10.1038/srep15654
Li, W., Mi, S., Zhang, J., Liu, X., Chen, S., Liu, S., Feng, X., Tang, Y., Li, Y., Liu, L., Fang, L., Zhang, S., & Yu, Y. (2023). Integrating sperm cell transcriptome and seminal plasma metabolome to analyze the molecular regulatory mechanism of sperm motility in Holstein stud bulls. Journal of Animal Science, 101, skad214. https://doi.org/10.1093/jas/skad214. EDN: https://elibrary.ru/CZOOHG
Lombó, M., Ruiz Díaz, S., Gutiérrez Adán, A., & Sánchez Calabuig, M. J. (2021). Sperm metabolomics through nuclear magnetic resonance spectroscopy. Animals, 11(6), 1669. https://doi.org/10.3390/ani11061669. EDN: https://elibrary.ru/IEMLCS
Long, J. A. (2020). The ‘omics’ revolution: Use of genomic, transcriptomic, proteomic and metabolomic tools to predict male reproductive traits that impact fertility in livestock and poultry. Animal Reproduction Science, 220, 106354. https://doi.org/10.1016/j.anireprosci.2020.106354. EDN: https://elibrary.ru/EWSQUZ
Longobardi, V., Kosior, M. A., Pagano, N., Fatone, G., Staropoli, A., Vassetti, A., Vinale, F., Campanile, G., & Gasparrini, B. (2020). Changes in bull semen metabolome in relation to cryopreservation and fertility. Animals, 10(6), 1065. https://doi.org/10.3390/ani10061065. EDN: https://elibrary.ru/RGVTKH
Menezes, E. B., Velho, A. L. C., Santos, F., Dinh, T., Kaya, A., Topper, E., Moura, A. A., & Memili, E. (2019). Uncovering sperm metabolome to discover biomarkers for bull fertility. BMC Genomics, 20(1), 714. https://doi.org/10.1186/s12864-019-6074-6. EDN: https://elibrary.ru/JKNSUW
Morrell, J. M., Nongbua, T., Valeanu, S., Lima Verde, I., Lundstedt Enkel, K., Edman, A., & Johannisson, A. (2017). Sperm quality variables as indicators of bull fertility may be breed dependent. Animal Reproduction Science, 185, 42–52. https://doi.org/10.1016/j.anireprosci.2017.08.001
Moura, A. A., de Souza, C. E. A., Monaco, E., & Killian, G. J. (2018). Seminal proteins, metabolites and sperm function. Animal Reproduction, 15, 691–702. https://doi.org/10.21451/1984-3143-AR2018-0029
Odet, F., Gabel, S., London, R. E., Goldberg, E., & Eddy, E. M. (2013). Glycolysis and mitochondrial respiration in mouse LDHC null sperm. Biology of Reproduction, 88(4), 95. https://doi.org/10.1095/biolreprod.113.108530
Oliveira, B. M., Arruda, R. P., Thomé, H. E., Maturana Filho, M., Oliveira, G., Guimarães, C., Nichi, M., Silva, L. A., & Celeghini, E. C. (2014). Fertility and uterine hemodynamic in cows after artificial insemination with semen assessed by fluorescent probes. Theriogenology, 82(5), 767–772. https://doi.org/10.1016/j.theriogenology.2014.06.007
Pang, F., Sheng, Y., Gao, L., Rushdi, H. E., Loor, J. J., Tian, Q., & Liu, S. (2025). Seminal plasma metabolomics and sperm lipidomics profiles of bull semen with different total progressive motile sperm count. Journal of Animal Science, 103, skaf012. https://doi.org/10.1093/jas/skaf012. EDN: https://elibrary.ru/QRPPXQ
Rodríguez Martínez, H. (2013). Semen evaluation techniques and their relationship with fertility. Animal Reproduction, 10(3), 148–159.
Rutten, C. J., Steeneveld, W., Vernooij, J. C. M., Huijps, K., Nielen, M., & Hogeveen, H. (2016). A prognostic model to predict the success of artificial insemination in dairy cows based on readily available data. Journal of Dairy Science, 99(8), 6764–6779. https://doi.org/10.3168/jds.2016-10935
Saraf, K. K., Kumaresan, A., Dasgupta, M., Karthikkeyan, G., Prasad, T. S. K., Modi, P. K., Ramesha, K., Jeyakumar, S., & Manimaran, A. (2020). Metabolomic fingerprinting of bull spermatozoa for identification of fertility signature metabolites. Molecular Reproduction and Development, 87(6), 692–703. https://doi.org/10.1002/mrd.23354. EDN: https://elibrary.ru/LLKLHS
Talluri, T. R., Kumaresan, A., Sinha, M. K., Paul, N., Ebenezer Samuel King, J. P., & Datta, T. K. (2022). Integrated multi omics analyses reveals molecules governing sperm metabolism potentially influence bull fertility. Scientific Reports, 12(1), 10692. https://doi.org/10.1038/s41598-022-14589-w. EDN: https://elibrary.ru/CRPBET
Velho, A. L. C., Menezes, E., Dinh, T., Kaya, A., Topper, E., Moura, A. A., & Memili, E. (2018). Metabolomic markers of fertility in bull seminal plasma. PLoS One, 13(4), e0195279. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0195279
Williams, H. L., Mansell, S., Alasmari, W., Brown, S. G., Wilson, S. M., Sutton, K. A., Miller, M. R., Lishko, P. V., Barratt, C. L., Publicover, S. J., & Martins da Silva, S. (2015). Specific loss of CatSper function is sufficient to compromise fertilizing capacity of human spermatozoa. Human Reproduction, 30(12), 2737–2746. https://doi.org/10.1093/humrep/dev243
Wood, P. L., Scoggin, K., Ball, B. A., Troedsson, M. H., & Squires, E. L. (2016). Lipidomics of equine sperm and seminal plasma: Identification of amphiphilic (O acyl)-ω hydroxy fatty acids. Theriogenology, 86(5), 1212–1221. https://doi.org/10.1016/j.theriogenology.2016.04.012
Zhang, R., Wang, X., Liu, R., et al. (2025). Proteomics and metabolomics analyses of mechanism underlying bovine sperm cryoinjury. BMC Genomics, 26, 63. https://doi.org/10.1186/s12864-025-11258-w. EDN: https://elibrary.ru/VRKFDG
Copyright (c) 2025 Anton A. Ermilov, Alexey A. Traspov, Faridun S. Bakoev, Dmitriy V. Chesnokov, Anna S. Panova, Alexander B. Kuznetsov, Olga V. Kostyunina
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial-NoDerivatives» («Атрибуция — Некоммерческое использование — Без производных произведений») 4.0 Всемирная.
