Les chercheurs de Penn suivent un épigénome de sperme défectueux lié à

Un couple sur huit a du mal à concevoir, avec près d'un quart de ces cas causés par une stérilité masculine inexpliquée. Au cours de la dernière décennie, la recherche a lié cette infertilité à des spermatozoïdes défectueux qui ne parviennent pas à «expulser» des protéines appelées histones de l'ADN pendant le développement. Cependant, les mécanismes derrière cette expulsion et où cela se produit dans l'ADN du sperme sont restés à la fois controversés et peu clairs.

Maintenant, les chercheurs de Penn Medicine montrent, à l'aide de nouveaux outils de séquençage de l'ADN à l'échelle du génome, les emplacements génétiques précis de ces histones retenues, ainsi qu'un gène clé qui le régule. Les résultats ont été publiés dans Cellule de développement.

Pour aller plus loin, les chercheurs ont créé un nouveau modèle de souris avec une version mutée du gène, Gcn5, qui permet aux enquêteurs de suivre de près les défauts dans le sperme depuis les premiers stades de développement du sperme jusqu'à la fécondation. Il s'agit d'une avancée importante car elle pourrait conduire à une meilleure compréhension non seulement de l'infertilité chez l'homme – et des moyens de l'inverser potentiellement – mais également des mutations épigénétiques suspectées transmises à l'embryon par les mâles, naturellement ou par fécondation in vitro. .

L'épigénétique, les facteurs influençant la génétique d'un organisme qui ne sont pas codés dans l'ADN, joue un rôle important dans la formation des spermatozoïdes et des ovules.

Pour les hommes qui ont une infertilité inexpliquée, tout peut sembler normal chez le médecin: nombre de spermatozoïdes normal, motilité normale. Pourtant, ils peuvent encore avoir des problèmes de conception. Une explication des problèmes persistants est que les histones sont au mauvais endroit, ce qui peut affecter les spermatozoïdes, puis le développement précoce. Maintenant, nous avons un très bon modèle pour étudier ce qui se passe lorsque vous ne vous débarrassez pas correctement des histones dans le sperme et à quoi cela peut ressembler dans l'embryon. "

Lacey J. Luense, PhD, premier auteur, chercheur associé au laboratoire d'études auteur principal, Shelley L. Berger, PhD, professeur à l'Université Daniel S. Och dans les départements de biologie cellulaire et du développement et de biologie, et directeur du Penn Epigenetics Institute

Les spermatozoïdes sains perdent de 90 à 95 pour cent des histones, les principales protéines de la chromatine qui conditionnent l'ADN et activent et désactivent les gènes, et les remplacent par des protamines, qui sont des protéines plus petites capables d'emballer correctement l'ADN dans de minuscules spermatozoïdes. Étant donné le rôle des histones retenues dans l'infertilité et le développement embryonnaire, il y a un grand intérêt à déterminer les emplacements génomiques afin qu'ils puissent potentiellement être utilisés pour une étude plus approfondie et finalement un traitement.

Des études antérieures ont produit des résultats contradictoires sur la localisation des histones. Une technologie connue sous le nom de séquençage MNase qui utilise une réaction enzymatique pour localiser avec précision a placé les histones retenues sur d'importants promoteurs génétiques. D'autres études avec la même approche ont trouvé des histones lors des répétitions d'ADN et placées dans ce que l'on appelle des «déserts génétiques», où elles jouent moins un rôle dans la régulation.

"Il y a eu une controverse sur le terrain pour essayer de comprendre ces données divergentes", a déclaré Luense. "Dans cette nouvelle étude, nous avons constaté que ces deux modèles décrits précédemment sont corrects. Nous trouvons des histones sur des gènes qui semblent importants pour le développement de l'embryon, mais nous les trouvons également à des éléments répétitifs, des endroits qui doivent être désactivés et pour empêcher l'expression de ces régions dans l'embryon. "

Les chercheurs ont appliqué une technologie connue sous le nom de séquençage ATAC, une approche plus précise et plus rapide, pour suivre les vagues d'histones à des sites uniques à travers le génome pendant les stades précoce et tardif du développement du sperme chez la souris. ATAC-seq peut identifier les parties du génome ouvertes et fermées – dans ce cas, les régions qui conservent les histones du sperme – puis effectuer une coupe et étiqueter l'ADN, qui peut ensuite être séquencé.

Dans les modèles de souris créés avec le gène Gcn5 muté, les chercheurs ont découvert que ces souris avaient une fertilité très faible. Les chercheurs ont également montré que les histones conservées dans le sperme de souris normales étaient corrélées avec les positions des histones dans les embryons très précoces, ce qui confirme l'hypothèse selon laquelle les histones paternelles transfèrent des informations épigénétiques à la génération suivante.

Avoir ce type de modèle mutant donne aux scientifiques un outil pour étudier de près les mécanismes qui sous-tendent la trajectoire du sperme muté et comprendre quel effet il peut avoir sur l'embryon et sur le développement. Il ouvre également la possibilité d'étudier des cibles thérapeutiques potentielles.

"En ce moment, le fardeau de la FIV et des autres technologies de procréation assistée incombe aux femmes. Même si c'est le facteur masculin, ce sont toujours les femmes qui doivent subir des injections et des procédures hormonales", a déclaré Berger. "Imaginez maintenant pouvoir appliquer des thérapies épigénétiques pour changer les niveaux d'histones et de protamines chez les mâles avant l'embryogenèse? C'est l'une des questions que nous voulons explorer et ce modèle nous permettra d'aller dans cette direction."

Il existe de nombreux médicaments épigénétiques disponibles pour traiter le cancer et d'autres maladies. Compte tenu de leurs mécanismes, le traitement du sperme avec des médicaments pour augmenter l'expulsion des histones est une voie potentielle à explorer.

Les limites des embryons humains dans la science ont conduit à un manque de recherche globale sur l'infertilité et le rôle de l'épigénome du père sur le développement de l'embryon, ce qui souligne l'importance d'études telles que celle-ci, ont déclaré les chercheurs.

"Il existe de nombreux facteurs différents qui peuvent altérer l'épigénome du sperme: le régime alimentaire, les drogues, l'alcool, par exemple", a déclaré Luense. "Nous commençons à peine à comprendre comment cela peut affecter l'enfant et son développement. Ces premières études de base que nous menons sont essentielles, afin que nous puissions mieux comprendre ce qui motive ces mutations épigénétiques."