Sperm capacitation, crucial for fertilization, occurs in the female reproductive tract and can be replicated

Abstract Depolarization of the myometrial smooth muscle cell (MSMC) resting membrane potential is necessary for the transition of the uterus from a quiescent state to a contractile state. The molecular mechanisms involved in this transition are not completely understood. Here, we report a novel coupled system between the Na + -activated K + channel (SLO2.1) and the non-selective Na + leak channel (NALCN) which determines the MSMC membrane potential. We show that SLO2.1 currents are activated by an inward Na + leak current carried by the NALCN channel leading to MSMC hyperpolarization. These results show an unanticipated role for the Na + leak currents in activating a negative feedback system countering the excitable effects of Na + currents. This is a novel role for the NALCN channel in which Na + acts as an intracellular signaling molecule. In fact, we report here that the net effect of Na + entry through NALCN channels is a hyperpolarization of the MSMCs plasma membrane because of the activation of SLO2.1 K channel. Importantly, we also report that a decrease in NALCN/SLO2.1 activity triggers both Ca 2+ entries through VDCCs, promoting myometrial contraction. Consistently, with a functional coupling, our data show that NALCN and SLO2.1 are in proximity to one another in human MSMCs. We propose that the spatial arrangement of SLO2.1 and NALCN permits these channels to functionally interact in order to regulate human MSMC membrane potential and cell excitability to modulate uterine contractile activity.

Abstract At the end of pregnancy, the uterus transitions from a quiescent to a highly contractile state. This is partly due to depolarization of the resting membrane potential in uterine (myometrial) smooth muscle cells (MSMCs). Experiments with human MSMCs showed that the membrane potential is regulated by a functional complex between the sodium (Na + )-activated potassium (K + ) channel SLO2.1 and the Na + Leak Channel Non-Selective (NALCN). In human MSMCs, Na + entering through NALCN activates SLO2.1, leading to K + efflux, membrane hyperpolarization (cells become more negative inside), and reduced contractility. Decreased SLO2.1/NALCN activity results in reduced K + efflux, leading to membrane depolarization, Ca 2+ influx via voltage-dependent calcium channels, and increased MSMC contractility. However, all of these experiments were performed with MSMCs isolated from women at term, so the role of the SLO2.1/NALCN complex early in pregnancy was speculative. To address this question here, we examined the role of the SLO2.1/NALCN complex in regulating mouse MSMC membrane potential across pregnancy. We report that Slo2 . 1 and Nalcn expression change along pregnancy, being more highly expressed in MSMCs from non-pregnant and early pregnant mice than in those from late-pregnant mice. Functional studies revealed that SLO2.1 channels mediate a significant portion of the K + current in mouse MSMCs, particularly in cells from non-pregnant and early pregnant mice. Activation of SLO2.1 by Na + influx through NALCN led to membrane hyperpolarization in MSMCs from early pregnancy but not in MSMCs from later pregnancy. Moreover, we found that the NALCN/SLO2.1 complex regulates intracellular Ca 2+ responses more in MSMCs from non-pregnant and early pregnancy mice than in MSMCs from late pregnancy. Together, these findings reveal that the SLO2.1/NALCN functional complex is conserved between mouse and humans and functions throughout pregnancy. This work could open avenues for targeted pharmacological interventions in pregnancy-related complications.

DNAAF5 is a dynein motor assembly factor associated with the autosomal heterogenic recessive condition of motile cilia, primary ciliary dyskinesia (PCD). The effects of allele heterozygosity on motile cilia function are unknown. We used CRISPR-Cas9 genome editing in mice to recreate a human missense variant identified in patients with mild PCD and a second, frameshift null deletion in Dnaaf5 . Litters with Dnaaf5 heteroallelic variants showed distinct missense and null gene dosage effects. Homozygosity for the null Dnaaf5 alleles was embryonic lethal. Compound heterozygous animals with the missense and null alleles showed severe disease manifesting as hydrocephalus and early lethality. However, animals homozygous for the missense mutation had improved survival, with partial preserved cilia function and motor assembly observed by ultrastructure analysis. Notably, the same variant alleles exhibited divergent cilia function across different multiciliated tissues. Proteomic analysis of isolated airway cilia from mutant mice revealed reduction in some axonemal regulatory and structural proteins not previously reported in DNAAF5 variants. While transcriptional analysis of mouse and human mutant cells showed increased expression of genes coding for axonemal proteins. Together, these findings suggest allele-specific and tissue-specific molecular requirements for cilia motor assembly that may affect disease phenotypes and clinical trajectory in motile ciliopathies.A mouse model of human DNAAF5 primary ciliary dyskinesia variants reveals gene dosage effects of mutant alleles and tissue-specific molecular requirements for cilia motor assembly.

Abstract To fertilize an oocyte, sperm must become hyperactive. However, whether they obtain ATP for hyperactivated motility via glycolysis or mitochondrial respiration is unclear. Here, high-resolution respirometry, flow cytometry, and confocal microscopy experiments revealed that mitochondrial respiration and membrane potential increased during mouse sperm capacitation. Treatment with inhibitors of mitochondrial respiration prevented sperm from hyperactivating and fertilizing an oocyte. Mitochondrial respiration was impaired in sperm from mice lacking the calcium channel CatSper. We developed a method to image mitochondrial calcium in sperm and found that CatSper activation led to increased mitochondrial calcium concentration. Finally, treating sperm with an inhibitor of mitochondrial calcium import impaired mitochondrial function and sperm hyperactivation. Together, our results uncover a new role of sperm mitochondria and reveal a new pathway connecting calcium influx through CatSper to mitochondrial activity and the sperm hyperactivation required to fertilize an oocyte. Summary The source of ATP for sperm hyperactivation is unclear. Ferreira et al. show that mitochondrial activity increases during, and is required for, hyperactivation and fertilization ability. Increased mitochondrial activity depends on calcium influx through the channel CatSper.

Abstract Soluble adenylyl cyclase (sAC: ADCY10) is essential for activating dormant sperm. Studies of freshly dissected mouse sperm identified sAC as needed for initiating capacitation and activating motility. We now use an improved sAC inhibitor, TDI-10229, for a comprehensive analysis of sAC function in human sperm. Unlike dissected mouse sperm, human sperm are collected post-ejaculation, after sAC activity has already been stimulated. Even in ejaculated human sperm, TDI-10229 interrupts stimulated motility and capacitation, and it prevents acrosome reaction in capacitated sperm. At present, there are no non-hormonal, pharmacological methods for contraception. Because sAC activity is required post-ejaculation at multiple points during the sperm’s journey to fertilize the oocyte, sAC inhibitors define candidates for non-hormonal, on-demand contraceptives suitable for delivery via intravaginal devices in females.