Les spermatozoïdes jouent un rôle essentiel dans la création d’une nouvelle vie, fournissant essentiellement la moitié du matériel génétique nécessaire.
Le succès de ce processus repose sur la génération d’un spermatozoïde compétent pour le développement, qui est souvent déterminé par sa forme. En effet, lors d’une fécondation in vitro, le sperme « le plus beau » est sélectionné pour féconder un ovule.
Cependant, il est difficile d’évaluer comment cette forme optimale se traduit par un bon fonctionnement des spermatozoïdes en raison de nombreux facteurs de confusion.
Des chercheurs de l’Université du Michigan se penchent maintenant sur les détails au niveau moléculaire de la formation des spermatozoïdes, avec un accent particulier sur la façon dont les anomalies de ce processus pourraient conduire à l’infertilité masculine.
Contrairement aux autres cellules du corps, les spermatozoïdes possèdent une caractéristique unique : leur matériel génétique est rempli de protéines appelées protamines.
Des protamines ont été trouvées dans divers organismes vivants tels que les plantes, les poissons et les mammifères, couvrant des centaines de millions d’années d’évolution.
L’importance de ce système d’emballage des spermatozoïdes à base de protamine soulève une question intrigante : pourquoi les spermatozoïdes utilisent-ils des protamines pour emballer l’ADN au lieu des histones, qui sont employées par tous les autres types de cellules ?
Pour découvrir l’importance des protamines dans la reproduction, Saher Sue Hammoud, Ph.D., Sy Redding, Ph.D., Lindsay Moritz, Ph.D., Samantha Schon, MD, et leur équipe ont mené une étude approfondie de la composition des séquences moléculaires des protamines pour comprendre comment fonctionnent les variations de l’effet protéique.
« Nous avons commencé à examiner les protamines car elles se trouvent dans de nombreuses espèces animales et évoluent également rapidement, il y a donc beaucoup de variations de séquence », a déclaré Hammoud, professeur agrégé de génétique humaine, d’obstétrique, de gynécologie et d’urologie.
La plupart des mammifères ont plusieurs types de protamines et celles-ci doivent être maintenues dans un rapport bien défini, et des écarts dans ce rapport ont été associés à l’infertilité.
La sagesse conventionnelle veut que les protamines soient particulièrement efficaces pour emballer étroitement l’ADN dans des structures denses appelées chromatine car elles sont riches en arginine, un acide aminé chargé positivement qui se lie fortement à l’ADN chargé négativement.
Cependant, des études récentes ont montré que les protamines contiennent également des acides aminés non arginine qui sont spécifiques à l’espèce et présentent des modifications post-traductionnelles inattendues, qui modifient chimiquement les protéines après leur fabrication.
Cette étude, publiée dans la revue Nature Biologie structurale et moléculaireexplore les caractéristiques des protamines jusque-là non reconnues.
« Les molécules qui interagissent et conditionnent l’ADN sont connues pour avoir des caractéristiques chargées positivement. Ce qui est vraiment beau dans ce travail, c’est qu’il révèle une autre logique intégrée dans ces protéines que nous n’avons jamais vraiment envisagée, d’autres acides aminés qui effectuent également des tâches très importantes. » a déclaré Redding, professeur adjoint de biochimie et de biotechnologie moléculaire à l’Université du Massachusetts Chan Medical School.
De plus, ce qui était intrigant était la présence de modifications post-traductionnelles sur les protamines, malgré le fait que les spermatozoïdes ne soient pas transcriptionnellement actifs.
« Le fait que les protamines aient toutes ces modifications différentes suggère que ces modifications doivent avoir une certaine fonction dans l’emballage de la chromatine », a déclaré Moritz, boursier postdoctoral au Hammoud Lab et co-premier auteur de l’article.
À l’aide de souris, ils ont analysé un résidu de lysine modifié spécifique à une protamine de souris et présent dans le sperme de souris matures. Le remplacement de la lysine par un acide aminé alanine (qui ne peut pas être modifié) a entraîné des spermatozoïdes de forme anormale, un développement embryonnaire altéré et une fertilité réduite.
Ce qui est plus surprenant, c’est que le remplacement de la lysine par une arginine chargée positivement n’a pas corrigé l’emballage défectueux du sperme, ce qui signifie que les interactions vont au-delà de la charge de la molécule.
L’infertilité masculine n’a souvent pas de cause claire, ce qui souligne l’importance d’étudier ces modifications.
A noté Schon, professeur adjoint au département d’obstétrique et de gynécologie de l’UM et co-premier auteur de l’article : « Je pense que ces modifications sont intéressantes en tant qu’autre voie de recherche et d’identification de la cause de l’infertilité, et le fait qu’elle pourrait jouer un rôle dans l’embryon précoce a une importance énorme en tant qu’outil de diagnostic potentiel et post-fécondation pour la FIV. »
L’équipe espère ensuite examiner plus en détail les mécanismes d’emballage des spermatozoïdes dans l’espoir de recréer le processus complètement in vitro.
Plus d’information:
Lindsay Moritz et al, la structure de la chromatine du sperme et la capacité de reproduction sont modifiées par la substitution d’un seul acide aminé dans la protamine 1 de la souris, Nature Biologie structurale et moléculaire (2023). DOI : 10.1038/s41594-023-01033-4