The cell adhesion molecule BT-IgSF is essential for a functional blood-testis barrier and male fertility in mice

Abstract

Infertility is a major problem worldwide, with around 1% of the male population suffering from azoospermia. This disease can be caused by different influences such as environmental pollution, genetic and epigenetic factors and hormonal disorders. The cell adhesion molecule BT-IgSF is known to be expressed mainly in brain and testis of mice and humans. One study explored the function of BT-IgSF in the brain. However, the role of BT-IgSF in the testis remains to be established. To analyze the function of BT-IgSF in the murine testis, the expression pattern was analyzed, and genetic mouse models were investigated. The results of this work show that BT-IgSF is essential for fertility of male mice. In the absence of BT-IgSF, mice are unable to produce sperm, have a smaller testis size and a disturbed testis morphology. Azoospermia of BT-IgSF knockout animals is caused by a disturbed blood-testis barrier (BTB). The expression of BTB proteins such as Cx43 and ZO-1 are increased and the localization of these proteins is shifted from an expression at the basal site in the wildtype to a diffuse expression in case of Cx43 and a disorganized expression of ZO-1. Functional assessment of the BTB with a BTB impermeable tracer revealed an impaired BTB in BT-IgSF mice. Due to the strong expression of BT-IgSF in Sertoli cells, a Sertoli-cell specific knockout of BT-IgSF was generated to further support the findings. Interestingly, the Sertoli cell-specific knockout mice showed the same phenotype as the global BT-IgSF knockout, indicating that the expression of BT-IgSF in Sertoli cells is essential for male fertility. In another conditional knockout of BT-IgSF, which was induced by tamoxifen administration to adult mice, similar effects were seen as in the global and Sertoli cell-specific knockout, such as a reduced testis size, reduced sperm count and Cx43 mislocalization. This demonstrated that BT-IgSF is also crucial in adult mice to maintain proper spermatogenesis and male fertility. Taken together, this study shows that BT- IgSF is essential for male fertility in mice. The absence of BT-IgSF results in an impaired BTB and in mislocalization of BTB proteins. These findings might help to further understand spermatogenesis and might be applied to elucidate human infertility.

Infertilität ist weltweit ein bedeutendes Problem. Ungefähr 1% der männlichen Bevölkerung leidet an Azoospermie. Diese Krankheit kann durch verschiedene Einflüsse wie Umweltverschmutzung, genetische und epigenetische Faktoren oder hormonelle Störungen verursacht werden. Es ist bekannt, dass das Zelladhäsionsmolekül BT-IgSF vor allem im Gehirn und im Hoden von Mäusen und Menschen exprimiert wird. Es gibt bereits Studien, die die Funktion von BT- IgSF im Gehirn untersucht haben. Die Funktion von BT-IgSF im Hoden ist allerdings noch nicht erforscht worden. Um die Funktion von BT-IgSF zu analysieren wurde das Expressionsmuster im Hoden charakterisiert und genetische Mausmodelle von BT-IgSF untersucht. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass BT-IgSF essentiell für die Fertilität männlicher Mäuse ist. In Abwesenheit von BT-IgSF können Mäuse keine Spermien bilden, haben kleinere Hoden und eine gestörte Hoden-Morphologie. Weitere Untersuchungen zeigten, dass der Grund der Azoospermie der BT-IgSF Knockout-Mäuse in einer gestörten Blut-Hoden-Schranke liegt. Die Expression von wichtigen Blut-Hoden-Schranken Proteinen wie Cx43 und ZO-1 ist erhöht und die Lokalisierung dieser Proteine ist im Falle von Cx43 diffus und nicht mehr auf den basalen Bereich beschränkt und im Falle von ZO-1 unorganisiert. Die funktionale Analyse der Blut-Hoden- Schranke mit einem Blut-Hoden-Schranken impermeablen Tracer ergab, dass die Blut-Hoden-Schranke defekt ist. Die starke Expression von BT-IgSF in Sertoli Zellen legte nahe, eine Sertoli Zell-spezifische BT-IgSF Knockout-Maus zu generieren, um die bisherigen Ergebnisse zu überprüfen. Interessanter Weise zeigte der Sertoli Zell-spezifische Knockout den gleichen Phänotyp wie der globale Knockout. Dies beweist, dass die Expression von BT-IgSF in Sertoli Zellen essentiell für die Fertilität ist. In einem konditionellen Knockout von BT-IgSF, der durch die Gabe von Tamoxifen in adulten Mäusen induziert wird, wurden ebenfalls kleinere Hoden, eine Reduktion der Spermienzahl sowie die Fehllokalisation von Cx43 beobachtet. Diese Befunde zeigen, dass BT-IgSF auch in adulten Mäusen entscheidend für die Aufrechthaltung der Spermatogenese und männlicher Fertilität ist. Diese Arbeit zeigt, dass BT-IgSF notwendig für die männliche Fertilität in Mäusen ist. Die Abwesenheit führt zu einer defekten Blut-Hoden-Schranke und zur Fehllokalisierung von Blut-Hoden-Schranken Proteinen. Diese Ergebnisse führen zu einem besseren Verständnis über die Abläufe der Spermatogenese und dieses Wissen kann dazu genutzt werden, menschliche Infertilität besser zu verstehen.