Lors de la phase post-méiotique de la spermatogenèse, les cellules germinales mâles appelées spermatides subissent de profondes transformations pour se différencier en spermatozoïdes : acquisition d’un flagelle et d’un acrosome, allongement de la cellule, élimination du cytoplasme et compaction du noyau. Ces processus sont essentiels à la fertilité masculine, et régulés par un programme génétique se mettant en place dès la fin de la méiose et impliquant l’expression de nombreux gènes.
La compaction du noyau est un évènement majeur qui survient à la fin de la spermatogenèse, suite à l’éviction de la quasi-totalité des histones (i.e. les protéines autour desquelles s’organise l’ADN et qui forment la chromatine) et leur remplacement par des protéines plus basiques et plus petites, appelées protamines. Cette réorganisation globale et unique induit un niveau de compaction élevé qui permet de protéger le génome paternel et de préparer sa reprogrammation dans le zygote, si la fécondation a lieu.
Au cours des dernières décennies, a été montré le rôle essentiel des variants et des modifications post-traductionnelles des histones (PTM) dans le processus de remplacement des histones par les protamines. L’hyperacétylation de l’histone H4 est, en particulier, une modification indispensable à l’ouverture de la chromatine et à l’enlèvement des histones. Plusieurs équipes dont la nôtre ont récemment observé que la lysine 79 de l’histone H3 est abondamment di- ou triméthylée (H3K79me2 et me3) au moment de l’hyperacétylation des histones. Nous avons également observé que la méthyltransférase DOT1L - la seule enzyme capable de catalyser la méthylation de H3K79 - est très fortement exprimée dans les spermatides mais son rôle dans la spermatogenèse restait jusqu’ici inconnu.
Afin de comprendre le rôle de DOT1L au cours de la spermatogenèse, nous avons généré un modèle de souris dans lequel le gène Dot1l est invalidé spécifiquement dans les cellules germinales mâles (Dot1l-KO). L’analyse phénotypique montre que les mâles ont une diminution importante de la fertilité due à la production de spermatozoïdes non fonctionnels, caractérisés par des anomalies morphologiques de la tête et du flagelle, une compaction incomplète de la chromatine ainsi qu’une réduction de leur motilité. De multiples défauts de la spermatogenèse sont également observés, comme une augmentation du nombre de spermatides allongées en apoptose.
Pour identifier l’origine du défaut de compaction de la chromatine, nous avons quantifié les principaux acteurs de la transition histones-protamines. Par spectrométrie de masse, nous avons mis en évidence une dérégulation de plusieurs modifications d’histones dans les cellules Dot1l-KO, en particulier une baisse des formes hyper acétylées de H4 dans les spermatides allongées. Nous avons également constaté une rétention anormale d’histones et de protéines de transition ainsi qu’une accumulation de la forme immature de la protamine 2 dans les spermatozoïdes Dot1l-KO. Ces résultats montrent l’importance de DOT1L et de la méthylation de H3K79 dans le processus de réorganisation et de compaction de la chromatine des spermatozoïdes.
H3K79me2 étant associée aux gènes exprimés, nous avons étudié par RNA-seq (séquençage à haut débit des transcrits) l’impact de DOT1L sur l’expression génique à différents stades de la spermatogenèse. Cette analyse a révélé que plusieurs centaines de gènes sont dérégulés dans les spermatides Dot1l-KO, en particulier des gènes impliqués dans le fonctionnement du flagelle et la production d’énergie, l’organisation de la chromatine ou encore l’apoptose. Ces résultats sont corrélés au phénotype observé chez les mâles Dot1l-KO. En plus de son rôle dans la réorganisation de la chromatine, DOT1L est donc nécessaire à la régulation de l’expression de nombreux gènes impliqués dans la différenciation des spermatides en spermatozoïdes.
Notre étude montre que l’histone méthyltransférase DOT1L est essentielle à la différenciation des spermatides en spermatozoïdes fonctionnels. Cette enzyme - exprimée de façon ubiquitaire – était connue comme impliquée dans de multiples processus biologiques, notamment lors du développement. DOT1L a également été impliquée dans certaines formes de leucémie, et est une cible de traitements anti-cancéreux.
Nos travaux permettent de mieux comprendre le mécanisme par lequel DOT1L agit sur l’organisation de la chromatine («interaction» avec l’hyperacétylation de H4) et sur l’expression génique. De plus, nos résultats identifient le gène Dot1l comme un acteur important de la reproduction masculine. Ils apportent une meilleure compréhension de la spermatogenèse qui pourra être utile à de futures études sur l’infertilité et la contraception masculine.
Cette étude a été financée par l'Agence Nationale de la Recherche (ANR-17-CE12-0004-01 pour J.C., ANR-21-CE44-0035 pour D.P. et J.C.), la Fondation pour la Recherche Médicale (SPF201909009274 pour C.G.), “Ministerio de Economía y competitividad” FI17/00224 pour A.I., et “Ministerio de Ciencia e Innovación” PI20/00936 pour R.O. et MV20/00026 pour A.I.
En savoir plus
Blanco M, El Khattabi L, Gobé C, Crespo M, Coulée M, de la Iglesia A, Ialy-Radio C, Lapoujade C, Givelet M, Delessard M, Seller-Corona I, Yamaguchi K, Vernet N, Van Leeuwen F, Lermine A, Okada Y, Daveau R, Oliva R, Fouchet P, Ziyyat A, Pflieger D, Cocquet J. DOT1L regulates chromatin reorganization and gene expression during sperm differentiation. EMBO Rep. 2023 Apr 26:e56316. doi: 10.15252/embr.202256316. Epub ahead of print. PMID: 37099396.
