The microbiome of the male reproductive tract: uncovering its composition and origins

Abstract

Almost every part of our body has coevolved microbial community and as more knowledge of the human microbiota (i.e., community of microorganisms) is acquired, it is becoming evident that microorganisms have a significant impact on our health and well-being. However, an imbalance in this host-microbe relationship can lead to a disease. In the context of human reproductive health, the microbiome (i.e., microorganisms and their genomes) of semen is a field of increasing scientific interest, although this microbial niche has received relatively limited attention compared to other body sites. Despite the evidence of seminal microbiome, a few studies have investigated the sources and acquisition pathways of microorganisms present in the semen. Likewise, the complete influence of the microbes of adjacent sites and its association with male fertility remains unclear. Recent studies have shown that semen harbours its own set of microbes which is polymicrobial and for a low biomass. Further, it has been shown that microorganisms in the semen substantially vary between individuals, suggesting that each has its unique and potentially individual bacterial community profile. Also, certain correlations have been established between the presence of specific bacteria in semen and its quality parameters. Further, bacteria are shared among partners and this bidirectional exchange can influence the microbial make-up of either partner with an implication on their health. This Doctoral Thesis studies the origin of the seminal microbial communities. The objectives of this Doctoral Thesis were: 1) to investigate the existence of microbes in human testicular samples; 2) to uncover potential sources and routes of microbial colonisation in the semen, and the effect of sterilisation method of vasectomy on seminal microenvironment; 3) to compile available data of microbial niches within couples, to assess the shared microbes within couple, and to determine the potential impact of female and male reproductive tract microbiomes on couple’s health; and 4) to highlight the methodological considerations and provide recommendations for low biomass microbial studies using endometrium as the study model. Four studies were carried out to address these objectives, with the main findings being: 1) human maturing spermatozoa from testicle biopsies harbour its unique low biomass microbial signature, with a possible role in the functional sperm development, which could be one source of the seminal microbial composition (Study I). 2) We found considerable differences in microbial diversity when comparing pre- and post-vasectomy semen samples which suggest that vasectomy influences the seminal microbial composition. Further, semen shares 50% of bacterial communities with urine, underscoring the intricate relationships between anatomically close but functionally distinct niches (Study II). 3) During unprotected sexual intercourse, the vaginal and seminal microbes mix and influence each other, forming the “seminovaginal microbiota” which influences the species composition of the couple’s reproductive tract, having both beneficial and detrimental effects on the health of couples (Study III). 4) The reproductive microbiome field requires clear, reproducible, and well-controlled study design to elucidate the healthy seminal microbiome. When analysing low microbial biomass tissue (as the testicle and semen), systematic control and elimination of possible contamination is crucial to obtain reliable microbiome data over the host information and to minimise misinterpretation of the results. We have proposed a set of guidelines for conducting microbiome studies on low biomass reproductive sites (Study IV).

Casi todas las partes de nuestro cuerpo han coevolucionado con una comunidad microbiana, y a medida que adquirimos más conocimiento sobre la microbiota humana (comunidad de microorganismos), se vuelve evidente que los microorganismos tienen un impacto significativo en nuestra salud y bienestar. Sin embargo, un desequilibrio en esta relación huésped-microorganismo puede llevar enfermedades. En el contexto de la salud reproductiva humana, el microbioma (microorganismos y sus genomas) del semen es un campo de creciente interés científico, aunque este nicho microbiano ha recibido relativamente poca atención en comparación con otras áreas del cuerpo. A pesar de la evidencia del microbioma seminal, pocos estudios han investigado el origen y las vías de adquisición de los microorganismos presentes en el semen. Del mismo modo, la influencia de los microorganismos de sitios adyacentes y su asociación con la fertilidad masculina aún no está clara. Estudios recientes han demostrado que el semen alberga su propio conjunto de microorganismos, que es polimicrobiano y de baja biomasa. Además, se ha observado que los microorganismos en el semen varían considerablemente entre los individuos, lo que sugiere que cada uno tiene su perfil único y potencialmente individual de comunidad bacteriana. También se han establecido ciertas correlaciones entre la presencia de determinadas bacterias en el semen y sus parámetros de calidad. Además, se ha demostrado que las bacterias se comparten entre las parejas y este intercambio bidireccional puede influir en la composición microbiana de cada miembro de la pareja, con implicaciones para su salud. Esta Tesis Doctoral estudia el origen de las comunidades microbianas del semen. Los objetivos de esta Tesis Doctoral fueron: 1) investigar la existencia de microorganismos en muestras testiculares humanas; 2) descubrir posibles fuentes y rutas de colonización microbiana en el semen, y el efecto del método de esterilización masculina (vasectomía) en el microambiente seminal; 3) recopilar datos disponibles sobre los nichos microbianos dentro de las parejas, evaluar los microorganismos compartidos y determinar el impacto potencial de los microbiomas del tracto reproductivo femenino y masculino en la salud de la pareja; y 4) resaltar las consideraciones metodológicas y brindar recomendaciones para estudios microbianos de baja biomasa, utilizando el endometrio como modelo de estudio. Se llevaron a cabo cuatro estudios para abordar estos objetivos, siendo los principales hallazgos los siguientes: 1) los espermatozoides humanos obtenidos de biopsias testiculares albergan su propio microbioma de baja biomasa, con un posible papel en el desarrollo funcional de los espermatozoides, pudiendo ser un origen de la composición microbiana seminal (Estudio I). 2) Encontramos diferencias significativas en la diversidad microbiana al comparar muestras de semen antes y después de la vasectomía, lo que sugiere que la vasectomía influye en la composición microbiana seminal. Además, el semen comparte el 50% de las comunidades bacterianas con la orina, lo que subraya las relaciones complejas entre nichos anatómicamente cercanos, pero funcionalmente distintos (Estudio II). 3) Durante las relaciones sexuales sin protección, los microorganismos vaginales y seminales se mezclan e influyen mutuamente, formando el “microbioma seminovaginal” que influye en la composición de especies del tracto reproductivo de la pareja, con efectos beneficiosos y perjudiciales para su salud (Estudio III). 4) El campo del microbioma reproductivo requiere un diseño de estudio claro, reproducible y bien controlado para determinar el microbioma seminal en individuos sanos. Al analizar tejidos con baja biomasa microbiana (como el testículo y el semen), el control sistemático y la eliminación de posible contaminación son cruciales para obtener datos precisos del microbioma y minimizar la interpretación errónea de los resultados. Hemos propuesto un conjunto de pautas para llevar a cabo estudios del microbioma en sitios reproductivos de baja biomasa (Estudio IV).