Projet

Environ un homme sur dix souffre d'infertilité résultant le plus souvent d'une spermatogenèse anormale. La cause, qu'elle soit génétique ou environnementale, reste souvent inconnue, 75 % des infertilités masculines étant définies comme "idiopathiques". La spermatogenèse, le processus par lequel les spermatozoïdes se développent à partir de cellules germinales immatures dans les tubules séminifères du testicule, est associée à un programme génétique hautement dynamique et à des changements chromatiniens importants.
Notre groupe étudie la spermatogenèse au niveau des gènes et de la chromatine afin d'identifier et de caractériser les nouveaux régulateurs/voies nécessaires à la différenciation des spermatozoïdes et à la fertilité masculine. Notre objectif est de produire des connaissances fondamentales sur les mécanismes moléculaires contrôlant la spermatogenèse afin de mieux comprendre les causes génétiques et épigénétiques de l'infertilité masculine.
Notre projet vise également à étudier l'impact du programme épigénétique des spermatozoïdes sur l'efficacité de la reproduction, le développement embryonnaire et la santé de la descendance. En effet, il est désormais bien connu que, lors de la fécondation, le spermatozoïde apporte à l'embryon bien plus que son ADN. Les informations épigénétiques (chromatine, molécules d'ARN, modifications de l'ADN) sont également transmises à l'embryon et pourraient affecter le développement embryonnaire et la santé de la descendance, en cas de dérégulation. Une meilleure caractérisation des mécanismes moléculaires contrôlant la spermatogenèse est nécessaire pour mieux comprendre leur impact à long terme.
La spermatogenèse est un processus de différenciation très dynamique en termes de régulation des gènes et de remodelage de la chromatine, et un excellent modèle pour étudier ces processus biologiques essentiels. Nos résultats contribueront donc à mieux comprendre comment l'expression des gènes et la chromatine sont régulées, dans leur ensemble.
Pour aborder ces questions, nous combinons des modèles in vivo et in vitro et utilisons des techniques de biologie moléculaire et cellulaire, de biochimie et de biologie de la reproduction. Nous effectuons en particulier des analyses (« omiques ») à grande échelle telles que la transcriptomique, l'épigénétique et la protéomique.

Illustration 1 projet Régulation (épi)génétique au cours de la spermatogenèse équipe Vaiman

Régulation des gènes et remodelage de la chromatine au cours de la spermiogenèse. Impact sur la reproduction mâle, le développement de la descendance et la santé.
Au cours de la dernière étape de la spermatogenèse (c'est-à-dire la spermiogenèse), les cellules haploïdes post-méiotiques appelées spermatides subissent de profondes modifications morphologiques et fonctionnelles pour devenir des spermatozoïdes (Blanco & Cocquet, 2019). Elles acquièrent leur forme spécifique par la perte de la majeure partie de leur cytoplasme, la biogenèse d'un flagelle et d'un acrosome, et l'extrême compaction de leur noyau et de leur chromatine. Le haut niveau de compaction de la chromatine des spermatozoïdes résulte du remplacement de la plupart des histones par des protamines. Il est essentiel pour la fertilité masculine et pour préserver l'intégrité du génome paternel jusqu'à la fécondation.
Au cours de la dernière décennie, nous avons étudié de manière approfondie deux gènes multicopies, nommés Slx/Slxl1 et Sly, qui sont respectivement codés par les chromosomes X et Y de la souris. Nous avons montré que l'absence/le knock-down de Sly entraîne un large éventail de défauts de la spermiogenèse, tels que des têtes de spermatozoïdes déformées, une motilité réduite, une compaction anormale de la chromatine et des dommages à l'ADN, qui provoquent l'infertilité masculine. Ces défauts sont associés à la dérégulation de centaines de gènes codés par le chromosome sexuel, ainsi qu'à des gènes autosomiques en plus petite proportion (tels que les gènes de la famille Speer) (Cocquet et al. PLos Biol 2009 ; Riel et al. J Cell Sci 2013 ; Moretti et al. Cell Death & Diff 2017). De manière intéressante, nous avons observé que Slx/Slxl1, les homologues liés à l'X de Sly, ont un rôle opposé à celui de Sly sur l'expression des gènes (Cocquet et al. PLoS Genet 2012).

En utilisant Slx/Slxl1 et Sly comme points d'entrée, nous avons identifié de nouveaux acteurs de la régulation des gènes/de la chromatine pendant la spermiogenèse. Par ChIP seq, nous avons montré que la protéine SLY est enrichie au niveau du promoteur de milliers de gènes impliqués dans l'expression des gènes, la régulation de la chromatine et la voie de l'ubiquitine. Parmi ces gènes figure Dot1l, qui code pour la seule méthyltransférase H3K79 connue ; l'expression de Dot1l et le niveau de méthylation de H3K79 sont tous deux régulés à la baisse dans les spermatides déficientes en SLY. En parallèle, nous avons utilisé des tests de co-immunoprécipitation suivis par de la spectrométrie de masse pour identifier les partenaires protéiques de SLY, et nous avons découvert que SLY interagit avec SMRT/NcoR, un complexe protéique impliqué dans la régulation transcriptionnelle, et qui semble être pertinent pour la régulation des gènes pendant la spermiogenèse (Moretti et al. Cell Death & Diff 2017).
Modèle présentant le mécanisme par lequel SLY contrôle l'expression des gènes et le remodelage de la chromatine pendant la différenciation des spermatozoïdes. Dans les spermatides rondes WT (panneau de gauche), SLY (en bleu) interagit avec le complexe SMRT/N-CoR (qui comprend TBL1XR1, TBL1X, NCOR1 et HDAC3) et est situé au départ de gènes impliqués dans la régulation génique, la régulation de la chromatine et la voie de l'ubiquitine. En particulier, SLY contrôle directement l'expression des gènes codés par le chromosome X codant pour les variants de H2.A (tels que H2A.B3) et de la méthyltransférase H3K79 DOT1L. Dans les spermatides en cours d'élongation, on observe une vague de diméthylation de H3K79 (cercles orange) et d'acétylation de l'histone H4 (cercles verts) ; ces modifications devraient être une condition préalable à l'élimination efficace des nucléosomes (ovale rose pâle) et à leur remplacement par des protamines (ovale violet), un processus nécessaire pour obtenir une compaction optimale du noyau des spermatozoïdes. Lorsque SLY est désactivé (panneau de droite), les variants H2.A codés par X sont régulés à la hausse et davantage incorporés dans la chromatine des spermatides, tandis que DOT1L est régulé à la baisse. La régulation négative de DOT1L entraîne une diminution de l'histone H3K79 diméthylée et de l'histone H4 acétylée dans les spermatides allongées. Les altérations de la structure chromatinienne des spermatides affectent le remplacement des nucléosomes par des protamines et conduisent à une proportion plus élevée de nucléosomes et une proportion plus faible de protamines. En conséquence, les spermatozoïdes déficients en Sly ont une forme anormale, sont moins compacts et présentent une plus grande sensibilité aux dommages de l'ADN que les spermatozoïdes WT.

Schéma 2 projet Régulation (épi)génétique au cours de la spermatogenèse équipe Vaiman
Image microscopique illustrant le projet Régulation (épi)génétique au cours de la spermatogenèse équipe Vaimant

Mécanisme moléculaire du conflit génomique entre les chromosomes sexuels de la souris - compétition entre Slx/Slxl1 et Sly.
En étudiant les rôles moléculaires de Slx/Slxl1 et Sly, nous avons découvert qu'ils sont impliqués dans un conflit intragénomique qui provoque une distorsion de la ségrégation en plus de l'infertilité masculine. En effet, Slx/Slxl1 et Sly sont des gènes « égoïstes » - chacun favorisant sa propre transmission au détriment de l'autre. Les gènes Slx/Slxl1 et Sly sont présents des dizaines de fois sur les chromosomes X et Y de la souris, respectivement. Leur nombre de copies n'est pas le même selon les espèces et a co-évolué au cours de l'évolution des rongeurs. Le « conflit » pour la transmission dans lequel Slx/Slxl1 et Sly sont engagés a conduit à une course aux armements génétiques dans laquelle l'amplification du nombre de copies de l'un est contrebalancée par l'amplification de l'autre. Un déséquilibre du nombre de copies de l'un par rapport à l'autre (obtenu par des mutants génétiques induisant un "knock-down" de Slx/Slxl1 ou de Sly) produit un sex-ratio biaisé de la progéniture associé à une hypofertilité, ou une infertilité, si le ratio du nombre de copies est sévèrement déséquilibré (Cocquet et al. PLoS Genet 2012).
Notre projet vise à étudier la compétition au niveau moléculaire et à identifier d'autres acteurs du conflit.
Nous avons récemment montré que les protéines SLX/SLXL1 et SLY sont présentes au niveau du promoteur de milliers de gènes de spermatides, et que le knockdown de Sly augmente la présence de SLX/SLXL1 au niveau de ces promoteurs (Moretti et al. MBE 2020). La compétition au niveau du promoteur est médiée par la protéine SSTY, avec laquelle SLX/SLXL1 ou SLY (mais pas les 2 ensemble) interagit. Il est intéressant de noter que SSTY appartient à une famille de protéines, SPINDLIN, qui reconnaît la marque chromatinienne H3K4me3, caractéristique du promoteur des gènes actifs (exprimés). Lorsque SLY prédomine, les gènes auxquels elle est associée sont sous-exprimés, à l'inverse lorsque SLX/SLXL1 prédomine ces gènes sont surexprimés. Pour compléter l'élucidation du mécanisme moléculaire, nous avons découvert que SLY, mais pas SLX/SLXL1, interagit avec des protéines du complexe SMRT/N-Cor qui répriment la transcription ; en cas de knockdown de Sly, ce complexe est moins recruté au niveau des promoteurs des gènes cibles de SLX/SLY ce qui entraîne une régulation positive. Ce résultat explique, du moins en partie, le fait que SLY agit comme un répresseur et SLX/SLXL1, comme un activateur.
D'un point de vue évolutif, il est important de noter que le gène Ssty est lui-même multicopié et porté par le chromosome Y. En outre, de nombreux gènes cibles de SLX/SLXL1, SLY et SSTY sont également des gènes multicopies qui ont été co-amplifiés au cours de l'évolution des Muroïdes, notamment les gènes Speer/Takusan amplifiés plus de 150 fois sur le chromosome 14.
Notre travail constitue une étape importante vers l'élucidation du mécanisme moléculaire à l'origine de la compétition entre les gènes X et Y - un conflit génomique qui a influencé l'organisation du génome et l'évolution de plusieurs rongeurs. On suppose que ce type de phénomène est assez répandu et qu'il crée une incompatibilité hybride, une divergence de lignée et finalement une spéciation.

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