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).

Figure issue de Moretti et al. 2017. Localisation de l'histone méthyl transferase DOT1L (vert) dans une section de testicule de souris à différents stades de la spermiogenèse. Le DAPI (en bleu) colore les noyaux et la lectin-PNA (en rouge) marque les acrosomes.

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.

Figure issue de Cocquet et al. PLoS Genet 2012. Localisation des protéines SLX et SLY dan les spermatides. Les protéines SLX et SLY  (en vert) co-localisent avec les chromosomes sexuels (X et Y, en jaune) et avec le cluster de gènes multicopies (en rouge, DNA-FISH). Le DAPI (bleu) colore les noyaux.