Quantitative Analysis of the Human Semen Phosphorometabolome by 31P-NMR

Abstract

Phosphorus-containing metabolites occupy a prominent position in cell pathways. The phosphorometabolomic approach in human sperm samples will deliver valuable information as new male fertility biomarkers could emerge. This study analyzed, by 31P-NMR, seminal plasma and whole semen from asthenozoospermic and normozoospermic samples (71% vs. 27% and 45% vs. 17%, total and progressive sperm motility, respectively), and also ejaculates from healthy donors. At least 16 phosphorus-containing metabolites involved in central energy metabolism and phospholipid, nucleotide, and nicotinamide metabolic pathways were assigned and different abundances between the samples with distinct sperm quality was detected. Specifically, higher levels of phosphocholine, glucose-1-phosphate, and to a lesser degree, acetyl phosphate were found in the asthenozoospermic seminal plasma. Notably, the phosphorometabolites implicated in lipid metabolism were highlighted in the seminal plasma, while those associated with carbohydrate metabolism were more abundant in the spermatozoa. Higher levels of phosphocholine, glucose-1-phosphate, and acetyl phosphate in the seminal plasma with poor quality suggest their crucial role in supporting sperm motility through energy metabolic pathways. In the seminal plasma, phosphorometabolites related to lipid metabolism were prominent; however, spermatozoa metabolism is more dependent on carbohydrate-related energy pathways. Understanding the presence and function of sperm phosphorylated metabolites will enhance our knowledge of the metabolic profile of healthy human sperm, improving assessment and differential diagnosis

Los metabolitos que contienen fósforo ocupan un lugar destacado en las vías celulares. El enfoque fosforometabolómico en muestras de esperma humano proporcionará información valiosa, ya que podrían surgir nuevos biomarcadores de fertilidad masculina. En este estudio se analizaron, mediante 31P-NMR, plasma seminal y semen completo de muestras astenozoospérmicas y normozoospérmicas (71% frente a 27% y 45% frente a 17%, motilidad espermática total y progresiva, respectivamente), y también eyaculados de donantes sanos. Se asignaron al menos 16 metabolitos que contienen fósforo implicados en el metabolismo energético central y en las vías metabólicas de los fosfolípidos, los nucleótidos y la nicotinamida, y se detectaron diferentes abundancias entre las muestras con distinta calidad de esperma. Concretamente, en el plasma seminal astenozoospérmico se encontraron niveles más elevados de fosfocolina, glucosa-1-fosfato y, en menor grado, acetilfosfato. En particular, los fosforometabolitos implicados en el metabolismo de los lípidos destacaban en el plasma seminal, mientras que los asociados al metabolismo de los hidratos de carbono eran más abundantes en los espermatozoides. Los niveles más elevados de fosfocolina, glucosa-1-fosfato y acetilfosfato en el plasma seminal de mala calidad sugieren su papel crucial en el soporte de la motilidad espermática a través de vías metabólicas energéticas. En el plasma seminal destacaban los fosforometabolitos relacionados con el metabolismo de los lípidos; sin embargo, el metabolismo de los espermatozoides depende más de las vías energéticas relacionadas con los hidratos de carbono. Comprender la presencia y función de los metabolitos fosforilados del esperma mejorará nuestro conocimiento del perfil metabólico del esperma humano sano, mejorando la evaluación y el diagnóstico diferencial.