Les spermatozoïdes ont des faisceaux compacts d’ADN, mais exactement comment et pourquoi les noyaux des spermatozoïdes sont condensés dans les plantes à fleurs était un mystère jusqu’à présent.
Une équipe de recherche du John Innes Center a découvert un mécanisme de compactage du sperme des plantes à fleurs et a rassemblé des indices sur les raisons pour lesquelles cela est nécessaire.
Comment les plantes à fleurs compactent-elles leur ADN dans les spermatozoïdes ?
Des chercheurs du groupe du professeur Xiaoqi Feng ont montré comment, dans les plantes à fleurs, la chromatine du sperme, un complexe d’ADN et de protéines, est compactée par une protéine histone spéciale qui s’auto-agrège spontanément comme le font les gouttelettes d’huile dans l’eau, un phénomène connu sous le nom de séparation de phases.
Les plantes à fleurs utilisent un mécanisme différent des animaux et des plantes sans graines (comme les fougères et les mousses). Dans ces autres organismes, la chromatine du sperme subit un remplacement presque complet des histones par des protamines qui compactent fortement l’ADN.
Le mécanisme de compactage chez les plantes à fleurs était inconnu, car elles n’ont pas de protamines mais maintiennent à la place une chromatine à base d’histone.
L’équipe de recherche du professeur Feng a utilisé la microscopie à super-résolution, la protéomique comparative, le séquençage épigénomique de type cellule unique et la cartographie 3D du génome pour enquêter sur ce mystère.
L’équipe a examiné les noyaux des spermatozoïdes, des cellules végétatives et des feuilles d’Arabidopsis thaliana à l’aide d’une microscopie à super résolution et a identifié une variante d’histone H2B.8 qui est spécifiquement exprimée dans les noyaux des spermatozoïdes via la protéomique comparative.
H2B.8 a une longue région intrinsèquement désordonnée (IDR), une caractéristique qui permet fréquemment aux protéines de subir une séparation de phase. La recherche a révélé que presque toutes les espèces de plantes à fleurs ont des homologues (copies) H2B.8, qui contiennent tous un IDR, suggérant des fonctions importantes.
En utilisant l’imagerie, le séquençage épigénomique et la cartographie 3D du génome, les chercheurs montrent que H2B.8 condense l’ADN du sperme en induisant la séparation de phase et l’agrégation de l’euchromatine, la partie de la chromatine qui est relativement décondensée et transcriptionnellement active.
Parce que l’euchromatine occupe la majeure partie du volume nucléaire, son agrégation est un mécanisme très efficace pour la condensation nucléaire.
Ils montrent également que du fait de la localisation spécifique de H2B.8 au sein de l’euchromatine inactive, sa fonction de condensation n’affecte pas négativement la transcription et l’activité des gènes.
Pourquoi les plantes à fleurs condensent-elles leur ADN de cette manière ?
De nombreux organismes ont des spermatozoïdes très condensés. Par exemple, les mammifères produisent des spermatozoïdes mobiles qui nagent, et ils bénéficient de faisceaux d’ADN compacts dans leurs noyaux de sperme pour obtenir une tête de sperme petite et hydrodynamique qui facilite la vitesse de nage.
Les plantes à fleurs produisent du pollen qui ne nage pas, ce qui pose la question « pourquoi le compactage de l’ADN se produit-il dans le sperme des plantes à fleurs ? »
L’équipe de recherche conclut que la condensation des spermatozoïdes médiée par H2B.8 est importante pour la fertilité masculine. Les chercheurs supposent que la condensation du sperme est importante pour les plantes à fleurs, dans lesquelles les spermatozoïdes doivent voyager à travers un long tube pollinique pour atteindre l’ovule profondément ancré dans les tissus maternels.
Conformément à cette idée, les gymnospermes, un groupe de plantes à graines non florifères (par exemple les conifères, les cycadales) qui ont un appareil à œuf exposé ont des noyaux de sperme non condensés et manquent de H2B.8.
Le Dr Toby Buttress, premier auteur de l’étude, a déclaré : « Nous proposons que H2B.8 est une innovation évolutive des plantes à fleurs qui atteint un niveau modéré de condensation nucléaire par rapport aux protamines, qui sacrifient la transcription pour un super compactage. La condensation médiée par H2B.8 est suffisante pour les spermatozoïdes immobiles et compatible avec l’activité des gènes. »
L’équipe spécule également que de tels mécanismes de condensation nucléaire sont susceptibles de fonctionner en dehors des plantes à fleurs, dans des cellules actives sur le plan de la transcription qui favorisent les noyaux plus petits.
Le Dr Buttress poursuit : « Nous avons découvert le premier exemple d’une variante spécifique d’histone centrale capable d’affecter les propriétés de séparation de phases de la chromatine.
« Nous démontrons un nouveau mécanisme passionnant de compactage du génome qui ne compromet pas l’activité des gènes. »
L’article, « Histone H2B.8 compacte le sperme des plantes à fleurs via la séparation des phases de la chromatine », apparaît dans La nature.
Plus d’information:
Toby Buttress et al, Histone H2B.8 compacte le sperme des plantes à fleurs via la séparation des phases de la chromatine, La nature (2022). www.nature.com/articles/s41586-022-05386-6