Cyclooxygenase (COX) is the rate-limiting enzyme in the synthesis of prostaglandins (PGs) and exists in two isoforms, COX-1 and COX-2. In spite of long-standing speculation, definitive roles of PGs in various events of early pregnancy remain elusive. We demonstrate herein that the targeted disruption of COX-2, but not COX-1, in mice produces multiple failures in female reproductive processes that include ovulation, fertilization, implantation, and decidualization. Using multiple approaches, we conclude that these defects are the direct result of target organ–specific COX-2 deficiency but are not the result of deficiency of pituitary gonadotropins or ovarian steroid hormones, or reduced responsiveness of the target organs to their respective hormones.

Cyclooxygenase-2 (COX-2; Ptgs2) acts as a tumor promoter in rodent models for colorectal cancer, but its precise role in carcinogenesis remains unclear. We evaluated the contribution of host-derived COX-1 and COX-2 in tumor growth using both genetic and pharmacological approaches. Lewis lung carcinoma (LLC) cells grow rapidly as solid tumors when implanted in C57BL/6 mice. We found that tumor growth was markedly attenuated in COX-2–/–, but not COX-1–/– or wild-type mice. Treatment of wild-type C57BL/6 mice bearing LLC tumors with a selective COX-2 inhibitor also reduced tumor growth. A decrease in vascular density was observed in tumors grown in COX-2–/– mice when compared with those in wild-type mice. Because COX-2 is expressed in stromal fibroblasts of human and rodent colorectal carcinomas, we evaluated COX-2–/– mouse fibroblasts and found a 94% reduction in their ability to produce the proangiogenic factor, VEGF. Additionally, treatment of wild-type mouse fibroblasts with a selective COX-2 inhibitor reduced VEGF production by 92%.

We have established a model that shows cooperative interaction among preimplantation embryos and the role of growth factors on their development and growth. Two-cell mouse embryos cultured singly in 25-microliters microdrops had inferior development to blastocysts and lower cell numbers per blastocyst compared with those cultured in groups of 5 or 10. The inferior development of singly cultured embryos was markedly improved by addition of epidermal growth factor (EGF) or transforming growth factor alpha or beta 1 (TGF-alpha or TGF-beta 1) to the culture medium. The stage of embryonic development, primarily affected by these treatments, was between eight-cell/morula and blastocyst. Furthermore, blastocysts developed from eight-cell embryos cultured in groups or singly in the presence of EGF showed a higher incidence of zona hatching compared with those cultured singly in the absence of EGF. Detection of EGF receptors on the embryonic cell surface at eight-cell/morula and blastocyst stages suggests beneficial effects of EGF or TGF-alpha on preimplantation embryo development and blastocyst functions. Insulin-like growth factor I (IGF-I) had no influence on embryo development. To further document the cooperative interactions among embryos, the volume of the culture medium was doubled to 50 microliters. This increase in culture volume was even more detrimental to the development of singly cultured embryos. However, this detrimental effect was significantly reversed by EGF and reversed even more markedly by a combination of EGF and TGF-beta 1 but not by TGF-beta 1 alone. Although TGF-beta 1 plus IGF-I caused a modest improvement of embryo development, the response was not as great as shown by EGF alone. Furthermore, IGF-I had no additive effect on EGF-induced embryonic development. The study presents clear evidence that specific growth factors of embryonic and/or reproductive tract origin participate in preimplantation embryo development and blastocyst functions in an autocrine/paracrine manner.

ABSTRACT Heparin-binding EGF-like growth factor (HB-EGF) is a newly discovered member of the EGF family of growth factors. HB-EGF can bind to two loci on cell surfaces, heparan sulphate proteoglycans and EGF-receptor (EGFR), and either one or both of these interactions could play a role in cell-cell interactions. In the rodent, increased endometrial vascular permeability at the site of blastocyst apposition is considered to be an earliest discernible prerequisite event in the process of implantation and this event coincides with the initial attachment reaction between the blastocyst trophectoderm and uterine luminal epithelium. This investigation demonstrates that the HB-EGF gene is expressed in the mouse uterine luminal epithelium surrounding the blastocyst 6-7 hours before the attachment reaction that occurs at 2200-2300 hours on day 4 of pregnancy. It was further demonstrated that this gene is not expressed in the luminal epithelium at the site of the blastocyst apposition during the progesterone-maintained delayed implantation, but is readily induced in the luminal epithelium surrounding an activated blastocyst after termination of the delay by an estrogen injection. In vitro studies showed that HB-EGF induced blastocyst EGF-R autophosphorylation, and promoted blastocyst growth, zona-hatching and trophoblast outgrowth. These results suggest possible interactions between the uterine HB-EGF and blastocyst EGF-R very early in the process of implantation, earlier than any other embryo-uterine interactions defined to date at the molecular level.

Leaders gathered at the US National Institutes of Health in November 2014 to discuss recent advances and emerging research areas in aspects of maternal-fetal immunity that may affect fetal development and pregnancy success.

The present investigation studied the influence of the blastocyst's state of activity on the "window" of implantation in the receptive uterus in the mouse. The receptive state of the uterus is defined as the limited time when the uterine milieu is favorable to blastocyst acceptance and implantation. In the mouse, implantation occurs on day 4 (day 1 = vaginal plug). Ovariectomy in the morning of day 4 prior to preimplantation estrogen secretion results in blastocyst dormancy and delayed implantation. These conditions are maintained by continued progesterone (P4) treatment but can be terminated with an injection of estrogen leading to blastocyst activation and subsequent implantation. Blastocyst transfers into intact pseudopregnant mice demonstrated that the window of implantation on day 4 remains open at least through 1800 h for normal day 4 blastocysts but only up to 1400 h for dormant blastocysts. These results suggested that the blastocyst's state of activity influenced the normally operative window of implantation in the receptive uterus. This finding was further confirmed by inducing conditions of delayed implantation in pregnant donors and pseudopregnant recipients. They were ovariectomized on the morning of day 4 and maintained with daily injections of P4 from days 5 to 7. On day 7, dormant blastocysts from P4-treated delayed donors were transferred into the uteri of P4-treated delayed pseudopregnant recipients at 1, 2, 4, or 8 h after an injection of 17 beta-estradiol (E2). Dormant blastocysts transferred into delayed recipients at 1 h after E2 treatment resulted in implantation in most of the animals as compared to complete failure of blastocysts to implant after transfer to P4-treated delayed recipients at 4 or 8 h after E2 treatment. However, implantation did occur in P4-treated delayed recipients at these later hours of E2 treatment when the P4-treated delayed donors also received E2 prior to blastocyst transfer. Furthermore, the majority of day 4 normal blastocysts implanted when transferred into P4-treated delayed recipients even at 16 h after E2 treatment. Interestingly, day 7 dormant blastocysts cultured for 8 or 24 h for in vitro activation failed to implant after transfer to P4-treated delayed pseudopregnant recipients at 4 ir 8 h after E2 treatment, although they did implant after transfer at 1 h after E2 treatment. As expected, normal day 4 blastocysts failed to implant after transfer to P4-treated delayed pseudopregnant recipients. Thus, these results establish that the blastocyst's state of activity alters the timing of implantation (window) in the receptive uterus. Thus, the window for successful implantation could be defined as a limited time span when the activated stage of the blastocyst is superimposed on the receptive state of the uterus. This window remains open for a shorter period for dormant blastocysts than for a normal or dormant blastocysts after E2 activation. Furthermore, dormant blastocysts, which apparently achieved metabolic activation in vitro, failed to attain the same status as blastocysts activated in utero by E2 for implantation into the receptive uterus. A key finding of this investigation is that E2 induces very rapidly, but transiently (1 h), a factor(s) in the P4-primed uterus that activates the dormant blastocysts for implantation in the receptive uterus.

Many underlying causes of human infertility have been overcome by using in vitro fertilization (IVF) and embryo transfer (ET) techniques. Nevertheless, implantation rates in IVF programs remain low despite the transfer of apparently healthy embryos. This suggests that there are problems with the differentiation of the uterus to the receptive state in response to the ovarian hormones estrogen and progesterone. The molecular basis of this receptive state when the uterine environment is conducive to blastocyst acceptance and implantation remains poorly understood. Normally, the “window” of uterine receptivity lasts for a limited time. Using ETs and the progesterone-treated delayed-implantation model in mice, we demonstrate here that levels of estrogen within a very narrow range determine the duration of the window of uterine receptivity. Although estrogen at different physiological concentrations can initiate implantation, we find that the window of uterine receptivity remains open for an extended period at lower estrogen levels but rapidly closes at higher levels. The uterine refractoriness that follows the receptive state at high estrogen levels is accompanied by aberrant uterine expression of implantation-related genes. These results suggest that careful regulation of estrogen levels is one of the important factors for improvement of female fertility in IVF/ET programs.

ABSTRACT The establishment of a receptive uterine environment is critical for embryonic survival and implantation. One gene that is expressed in the uterus during the peri-implantation period in mice and is required for female fertility is the homeobox gene Hoxa-10. Here we characterize the periimplantation defects in Hoxa-10 mutant females and investigate functions of Hoxa-10 in the uterine anlage during morphogenesis and in the adult uterus during pregnancy. Examination of pregnancy in Hoxa-10 mutant females has revealed failure of implantation as well as resorption of embryos in the early postimplantation period. Morphologic analysis of the mutant uterus has demonstrated homeotic transformation of the proximal 25% into oviduct. Histology and molecular markers confirm this anterior transformation. Furthermore, in situ hybridization shows that this region coincides with the anterior limit of embryonic Hoxa-10 expression in the urogenital ducts and a parallel transformation is observed in Hoxa-10 mutant males at the junction of the epididymis and ductus deferens. Female fertility could be compromised by either the homeotic transformation or the absence of Hoxa-10 function in the adult during pregnancy. To distinguish between these two potential mechanisms of infertility, wildtype blastocysts were transferred into mutant uteri distal to the transformed region on day 2.5 of pseudopregnancy. This procedure did not rescue the phenotype, suggesting that adult uterine expression of Hoxa-10 is required during pregnancy. Moreover, when implantation was experimentally delayed, homozygous uteri were able to support survival of blastocysts comparable to wild-type controls, indicating that the requirement for Hoxa-10 is intrinsic to implantation. While expression of LIF and HB-EGF appears unaffected in the mutant uteri, a decrease is observed in the intensity and number of blue dye reactions, an indicator of increased vascular permeability in response to implantation. In addition, mutant uteri exhibited decreased decidualization in response to artificial stimuli. These results show that Hoxa-10 is required during morphogenesis for proper patterning of the reproductive tract and in the adult uterus for peri-implantation events.

Female reproductive hormones control mammary gland morphogenesis. In the absence of the progesterone receptor (PR) from the mammary epithelium, ductal side-branching fails to occur. We can overcome this defect by ectopic expression of the protooncogene Wnt-1. Transplantation of mammary epithelia from Wnt-4(-)/(-) mice shows that Wnt-4 has an essential role in side-branching early in pregnancy. PR and Wnt-4 mRNAs colocalize to the luminal compartment of the ductal epithelium. Progesterone induces Wnt-4 in mammary epithelial cells and is required for increased Wnt-4 expression during pregnancy. Thus, Wnt signaling is essential in mediating progesterone function during mammary gland morphogenesis.

A large body of evidence indicates that chronic inflammation is one of several key risk factors for cancer initiation, progression, and metastasis. However, the underlying mechanisms responsible for the contribution of inflammation and inflammatory mediators to cancer remain elusive. Here, we present genetic evidence that loss of CXCR2 dramatically suppresses chronic colonic inflammation and colitis-associated tumorigenesis through inhibiting infiltration of myeloid-derived suppressor cells (MDSCs) into colonic mucosa and tumors in a mouse model of colitis-associated cancer. CXCR2 ligands were elevated in inflamed colonic mucosa and tumors and induced MDSC chemotaxis. Adoptive transfer of wild-type MDSCs into Cxcr2(-/-) mice restored AOM/DSS-induced tumor progression. MDSCs accelerated tumor growth by inhibiting CD8(+) T cell cytotoxic activity.