Inactivation of AMPKα1 Induces Asthenozoospermia and Alters Spermatozoa Morphology

Abstract

AMP-activated protein kinase (AMPK), a key regulator of cellular energy homeostasis, is present in metabolic tissues (muscle and liver) and has been identified as a modulator of the female reproductive functions. However, its function in the testis has not yet been clearly defined. We have investigated the potential role of AMPK in male reproduction by using transgenic mice lacking the activity of AMPK catalytic subunit α1 gene [α1AMPK knockout (KO)]. In the testis, the α1AMPK subunit is expressed in germ cells and also in somatic cells (Sertoli and Leydig cells). α1AMPK KO male mice show a decrease in fertility, despite no clear alteration in the testis morphology or sperm production. However, in α1AMPK(-/-) mice, we demonstrate that spermatozoa have structural abnormalities and are less motile than in control mice. These spermatozoa alterations are associated with a 50% decrease in mitochondrial activity, a 60% decrease in basal oxygen consumption, and morphological defects. The α1AMPK KO male mice had high androgen levels associated with a 5- and 3-fold increase in intratesticular cholesterol and testosterone concentrations, respectively. High concentrations of proteins involved in steroid production (3β-hydroxysteroid dehydrogenase, cytochrome steroid 17 alpha-hydroxylase/17,20 lysate, and steroidogenic acute regulatory protein) were also detected in α1AMPK(-/-) testes. In the pituitary, the LH and FSH concentrations tended to be lower in α1AMPK(-/-) male mice, probably due to the negative feedback of the high testosterone levels. These results suggest that total α1AMPK deficiency in male mice affects androgen production and quality of spermatozoa, leading to a decrease in fertility.

The insulin sensitiser metformin regulates chicken Sertoli and germ cell populations

“…Testosterone is known to be crucial for spermatogenesis. These results are concordant with those obtained in mammals (Tartarin et al 2012a), suggesting a conservation of this mechanism (E) Cell proliferation in testis was measured after 3 weeks of metformin treatment by quantification of the intratesticular PCNA content (n = 5 animals/condition) and (F) apoptosis was analysed through the activity of the cleaved caspase 3 (n = 6 animals/condition). *P < 0.05 and **P < 0.01.…”

“…In addition, there is a recent report of an increase in the percentage of intersex fish after metformin exposure during developmental stages at environmental doses, without clear effects on testosterone levels and gonad appearance (Niemuth et al 2015). These data are complemented by those of Tartarin et al (2012a), who observed decreased testosterone production in vitro and decreases in testis size in mice exposed to metformin during foetal development of animals unaffected by type 2 diabetes.…”

L’AMPK, régulateur de l’énergie et des fonctions des spermatozoïdes

“…spermatogenèse, dans les cellules de Leydig 2 et dans les cellules de Sertoli 3 [19][20][21]. Dans les cellules de Sertoli, la voie de signalisation AMPK/mTOR (mammalian target of rapamycin) participe à la régulation de l'autophagie et de l'apoptose induite par des substances toxiques [24].…”

“…Au cours des dernières années, son implication a été mise en évidence dans la reproduction, chez la femelle [13][14][15][16][17]. La démonstration, plus récente, de la présence d'AMPK au niveau de la gonade mâle et des spermatozoïdes de plusieurs espèces a permis d'aborder son rôle dans la reproduction chez le mâle [2, 3,[18][19][20][21][22][23], rôle que nous allons préciser ci-après.…”

“…Des niveaux élevés d'androgènes, avec une augmentation du cholestérol et de la testostérone intra-testiculaires, ont également été mesurés chez ces animaux, avec, en outre, des niveaux d'hormones gonadotropes hypophysaires (hormone lutéinisante [LH] et hormone folliculo-stimulante [FSH]) plus faibles dans les souris KO, en relation avec l'augmentation des taux de testostérone. L'absence d'activation de l'AMPK semble donc, en augmentant les niveaux d'androgènes, affecter la qualité des spermatozoïdes et leur aptitude à la fécondation [21]. La localisation de la forme active phospho-AMPK au niveau du flagelle et/ou de la pièce intermédiaire des spermatozoïdes chez les espèces où elle a été recherchée (verrat, coq) suggère que l'AMPK agit par phosphorylation des substrats protéiques participant au fonctionnement de l'appareil central de l'axonème 6 qui sont essentiels pour la mobilité flagellaire.…”