Abstract Background The extensive use of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) has led to environmental contamination and bioaccumulation. Previous research linked PFAS exposure to female reproductive disorders, but the mechanism remains elusive. Further, most studies focused on legacy long-chain PFOA and PFOS, yet the reproductive impacts of other long-chain PFAS and short-chain alternatives are rarely explored. Objectives We investigated the effects and mechanisms of long- and short-chain PFAS on the ovary and associated ovarian functions. Methods A 3D in vitro ovarian follicle culture system and an in vivo mouse model, together with approaches of reverse transcription-quantitative polymerase chain reaction, enzyme-linked immunosorbent assay, RNA-sequencing, pharmacological treatment, in situ zymography, histology, in situ hybridization, analytical chemistry, and benchmark dose modeling (BMD), were used to test environmentally relevant exposure levels of six long- and short-chain PFAS on follicle maturation, hormone secretion, and ovulation. Results In vitro exposure revealed that long-but not short-chain PFAS interfered with gonadotropin-dependent follicle maturation, ovulation, and hormone secretion. Mechanistically, long-chain perfluorononanoic acid (PFNA) acted as a peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPAR γ ) agonist in granulosa cells to disrupt follicle-stimulating hormone (FSH)-dependent follicle maturation, luteinizing hormone (LH)-stimulated ovulation, and associated gene regulatory pathways. In vivo mouse exposure confirmed the ovarian accumulation of PFNA and the mechanism of PPAR γ -mediated ovarian toxicities of PFNA observed in vitro . The BMD analysis of in vitro and in vivo results suggested human relevant exposure levels of long-chain PFAS in our study pose an extra risk of ovarian defects, with follicular rupture as the most sensitive endpoint. Discussion Using in vitro follicle culture and in vivo mouse models, we discovered that long-chain PFAS interfere with gonadotropin-dependent follicle maturation, hormone secretion, and ovulation, posing a non-negligible risk to women’s reproductive health including anovulation, irregular menstrual cycles, and sub- or infertility.

Abstract The gonadotropin-dependent phase of ovarian folliculogenesis primarily requires follicle-stimulating hormone (FSH) to support one or multiple antral follicles, dependent on the species, to mature fully, enabling ovarian steroidogenesis, oogenesis, and ovulation to sustain female reproductive cycles and fertility. FSH binds to its membrane receptor in granulosa cells to activate various signal transduction pathways and gene regulatory networks. Poor female reproductive outcomes can result from both FSH insufficiency owing to genetic or non-genetic factors and FSH excess as encountered with ovarian stimulation in assisted reproductive technology (ART), but the underlying molecular mechanisms remain elusive. Herein, we conducted single-follicle and single-oocyte RNA sequencing analysis along with other approaches in an ex vivo mouse folliculogenesis and oogenesis system to investigate the effects of different concentrations of FSH on key follicular events. Our study revealed that a minimum FSH threshold is required for follicle maturation into the high estradiol-secreting preovulatory stage, and the threshold is moderately variable among individual follicles. FSH at subthreshold, threshold, and suprathreshold levels induced distinct expression patterns of follicle maturation-related genes and the follicular transcriptomics. The RNA-seq analysis identified novel genes and signaling pathways that may critically regulate follicle maturation. Suprathreshold FSH resulted in multiple ovarian disorders including premature luteinization, high production of androgen and proinflammatory factors, and reduced expression of energy metabolism-related genes in oocytes. Together, this study improves our understanding of gonadotropin-dependent folliculogenesis and provides crucial insights into how high doses of FSH used in ART may impact follicular health, oocyte quality, pregnancy outcome, and systemic health.