Addressing sperm motility regulation through characterization and modulation of the GSK/PPP1R2/PPP1 signaling pathway

Abstract

Sperm motility acquisition and maintenance is a fundamental process for oocyte fertilization and consequently conception. The signaling events underling sperm motility acquisition have been studied for decades. However, many questions are still unanswered. Also, the limited options currently available for male contraception (condom, vasectomy and withdrawal) reflect the necessity of a new group of male contraceptives based on sperm motility modulation. GSK3/PPP1R2/PPP1 signaling pathway is involved in sperm motility acquisition during epididymis transit. The main goal for this work was to deepen the knowledge on the signaling events involved in human sperm motility by focusing on the characterization and modulation of the signaling pathway GSK3/PPP1R2/PPP1. We first designed, synthetized and characterized a disruptive bioportide based on cell penetrating peptide technology. In vitro studies revealed that the disruptive bioportide interferes with PPP1R2/PPP1CC2 interaction and restores PPP1CC2 activity. We also demonstrated that when exposed to the disruptive bioportide, sperm motility is significantly reduced. Aiming to identify sperm protein-protein interactions suitable for pharmacological intervention, we turn our attention to GSK3, a modulator of PPP1R2/PPP1CC2 interactions in sperm. We provide for the first time GSK3 human testis and sperm interactomes. We reported an isoforms specific role for GSK3 in human sperm motility and an in silico analysis revealed GSK3 and GSK3 interactions involved in sperm motility and potential targets for pharmacological intervention. In conclusion, we demonstrated that it is possible to target protein-protein interactions and modulate sperm complexes involved in motility using bioportides. Moreover, we identified new potential protein interactions involved in sperm motility and showed that the development of new type of male contraceptive based on inhibiting sperm motility is now achievable.

A aquisição e manutenção da mobilidade do espermatozoide é fundamental para a fertilização do oócito e consequentemente conceção. Durante décadas, as vias de sinalização necessárias à aquisição de mobilidade por parte do espermatozoide foram alvo de intensos estudos. Contudo, este processo ainda não é inteiramente conhecido. Ademais, as limitadas opções disponíveis para contraceção masculina (preservativo, vasectomia e coito interrompido) refletem a necessidade de desenvolver um contracetivo masculino baseado na modulação da mobilidade do espermatozoide. A via de sinalização GSK3/PPP1R2/PPP1 está envolvida na aquisição de mobilidade do espermatozoide ao longo do transito do epidídimo. O objetivo principal deste trabalho é enriquecer o conhecimento dos eventos celulares necessários na mobilidade do espermatozoide através da caracterização e modulação da via de sinalização GSK3/PPP1R2/PPP1 em espermatozoides humanos. Desenhámos, sintetizámos e caracterizámos um bioportide que quebra interações proteicas baseado em tecnologia de cell penetrating peptides. Estudos in vitro revelaram que o bioportide de ruptura interfere com a interação PPP1R2/PPP1CC2 e é capaz de restabelecer a atividade da PPP1CC2. Também demonstramos que o bioportide reduz significativamente a mobilidade do espermatozoide. Com o objetivo de identificar interacções proteína-proteína adequadas à intervenção farmacológica, focámos a nossa atenção na proteína GSK3, um modulador da interação PPP1R2/PPP1CC2 em espermatozoides. Descrevemos pela primeira vez o interactoma da GSK3 no testículo e espermatozoide humanos e reportamos um papel específico da isoforma GSK3 na mobilidade do espermatozoide. Uma análise in silico revelou interatores da GSK3 e GSK3 que estão envolvidos na mobilidade do espermatozoide e potencialmente poderão ser alvos de intervenção farmacológica para um novo contraceptivo masculino. Em conclusão, demonstramos que é possível provocar a quebra de interações proteína-proteína e modular a mobilidade do espermatozoide usando de bioportides. Também identificamos potenciais novas interações proteicas envolvidas na mobilidade do espermatozoide. Finalmente, mostramos que é possível idealizar um novo tipo de contracepção masculina baseado na inibição da mobilidade do espermatozoide.