Modulation of sperm motility using cell-penetrating peptides

Abstract

The large number of unintended pregnancies worldwide due to the non-use or failure of contraceptive methods and the fact that male contraceptives are limited to condom and vasectomy, highlight the urgent need for the development of new contraceptive methods. The mechanism of sperm motility acquisition in the epididymis constitutes an ideal target for new pharmacological male contraceptives since only the post-testicular sperm maturation is affected. It is known that protein phosphatase 1 subunit gamma 2 (PPP1CC2), a PPP1 isoform only present in testes and sperm, is essential for sperm motility acquisition. Protein-protein interactions (PPIs) have emerged as a promising class of drug targets and cell-penetrating peptides (CPPs) represents a recognized intracellular delivery system to target PPIs. The main goal of this work is to modulate PPP1CC2 complexes and, consequently, spermatozoa motility using peptides covalently coupled to CPPs. The results showed that both peptides tested could modulate sperm motility with a short incubation period, generally increasing the number of immotile spermatozoa. Additionally, we demonstrated that the peptide sequence that mimics the interaction interface between PPP1CC2 and a sperm-specific interactor – Akinase anchor protein 4 (AKAP4) – disrupted the PPP1CC2-AKAP4 interaction, resulting in arrest of sperm motility. The peptide that mimics the 22 amino-acid C-terminus of PPP1CC2 possible acts by disrupting the interaction between PPP1CC2 and isoform-specific interactors. Fifty putative isoform-specific interactors of PPP1CC2 C-terminus were identified by mass spectrometry and one of them was further validated (GPx4), suggesting new targets for similar contraceptive agents. In conclusion, this work confirmed the potential of CPPs to deliver peptide sequences that target unique PPIs in spermatozoa, clarified the mechanism of action of the peptides testes and identified other potential targets for new male contraceptives.

O elevado número de gravidezes indesejadas a nível mundial e o facto de os contracetivos masculinos estarem limitados ao preservativo e à vasectomia refletem a necessidade urgente de desenvolvimento de novos métodos contracetivos. O mecanismo de aquisição de mobilidade dos espermatozoides no epidídimo constitui um alvo perfeito para novos agentes contracetivos dado que apenas a maturação pós-testicular é afetada. Sabe-se que a proteína fosfatase 1 subunidade gama 2 (PPP1CC2), uma isoforma presente apenas nos testículos e espermatozoides, é essencial para a aquisição de mobilidade no epidídimo. As interações proteína-proteína (PPIs) têm surgido como uma promissora classe de alvos terapêuticos e os cell-penetrating peptides (CPPs) representam um reconhecido sistema de entrega intracelular de sequências peptídicas com o potencial de modular PPIs. Assim, o principal objetivo deste trabalho é modular complexos PPP1CC2 específicos de testículo e espermatozoide e, consequentemente, a mobilidade dos espermatozoides recorrendo a sequências peptídicas covalentemente ligadas a CPPs. Os resultados mostram que ambos os péptidos testados são capazes de modular a mobilidade dos espermatozoides, mesmo com curtos períodos de incubação, aumentando o número de espermatozoides imóveis. Adicionalmente, foi demonstrado que o péptido que mimetiza a interface de interação entre PPP1CC2 e uma a A-kinase anchor protein (AKAP4) – um interactor específico no espermatozoide – interfere com a interação PPP1CC2-AKAP4, resultando em espermatozoides imóveis. O péptido que mimetiza os 22 aminoácidos do C-terminal da PPP1CC2 atua disrompendo a interação entre a PPP1CC2 e interatores específicos desta isoforma. Cinquenta interatores específicos do Cterminal da PPP1CC2 foram identificados por espectrometria de massa, sugerindo novos potenciais alvos para futura modulação. Um desses interatores (GPx4) foi posteriormente validado. Concluindo, este trabalho confirmou o potencial dos CPPs na entrega de sequências peptídicas que têm como alvo PPIs únicas do espermatozoide, clarificou o mecanismo de ação dos péptidos testados e identificou potenciais alvos para novos contracetivos masculinos.