Projet ANR-11-BSV8-0014 – EpiSperm2 : Bases moléculaires de la reprogrammation post-méiotique du génome mâle
Programme : Blanc - SVSE 8 - Biochimie, biologie moléculaire et structurale (Blanc SVSE 8)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Monsieur Saadi Khochbin (INSTITUT NATIONAL DE LA SANTE ET DE LA RECHERCHE MEDICALE - DELEGATION DE LYON)
Partenaires : Institut national de la santé et de la recherche médicale; Université de Grenoble Alpes
Montant : 350000.0 euros
Date de début : 2012
Durée : 48 mois
Résumé : Bases moléculaires de la reprogrammation post-méiotique du génome mâleCe projet vise à comprendre comment le génome mâle s’organise et quel est l’impact de cette organisation dans l’instruction de l’expression génique dans l’embryon.
Compréhension du génome mâle et ses applicationsChez les mammifères la réorganisation post-méiotique du génome mâle et sa compaction peuvent sur un plan conceptuel être considérées comme similaire à la sporulation chez les eucaryotes inférieurs et à la formation du pollen chez les plantes. En effet dans tous les cas l’objectif est de préparer le génome pour résister à un environnement hostile. Dans tous ces cas, nous assistons à une compaction post-méiotique du génome suivant un mécanisme complètement obscure. Notre connaissance actuelle implique l’échange successif des histones par des protéines de transition (TP) et les protamines (Prms) pour arriver à un empaquetage  final du génome dans le noyau du spermatozoïde mature. Nos données récentes sur les bases moléculaires de la reprogrammation du génome mâle montrent que non seulement des évènements post-méiotiques mais aussi la méiose elle-même sont largement contrôlés par une protéine à double bromodomaine de la famille BET, Brdt. Après son activation dès la méiose, Brdt active un programme transcriptionnel spécifique de la lignée germinale mâle tout en réprimant des gènes actif dans les cellules progénitrice, les spermatogonies. Dans les phases post-méiotiques, une hyperacétylation des histones donne le signal pour le remplacement des histones par les TP impliquant le premier bromodomain de Brdt, le seul capable de reconnaître l’histone H4 hyperacétylée. Nos études parallèles montrent que l’hyperacétylation des histones et l’action de Brdt seules ne sont pas suffisantes pour enlever les histones et que une déstabilisation des nucléosomes par les variants d’histone de H2A et H2B sont également nécessaires. Finalement, nous avons montré que tout le programme de l’expression génique des cellules mâles est dicté par un balisage épigénétique basé sur l’utilisation de nouvelles marques d’histone que nous découvrons. Globalement toutes ces études permettent de présenter les premiers modèles moléculaires de la programmation des gamètes mâles.
Utilisation des modèles animaux et des techniques de pointe en protéomique et génomique pour démanteler les bases moléculaires de la programmation du génome mâle.Ce projet se déroule en continuation directe du projet précédent (EpiSperm1). Comme indiqué ci-dessous, nous nous consacrons à « exploiter » nos modèles générés lors du projet précédent. Nous sommes passé en phase finale pour l’un des thèmes : l’étude de la protéine à double bromodomaine de la famille BET, Brdt. Cette étude a nécessité la mise ne place d’approches protéomique et génomique à grande échelle. Des résultats remarquables ont été obtenus qui ont été décrits dans un manuscrit soumis à la publication très récemment.Nous allons aussi concentrer nos efforts sur les modèles concernant le variant d’histone tH2B et H2AL2, en utilisant les mêmes approches méthodologiques. Par ailleurs, notre consortium tripartite avec deux laboratoires américains (Chicago et San Diego) fonctionne de manière très efficace. Brièvement,  ce consortium est constitué d’un laboratoire de protéomique très performant qui découvre un grand nombre de nouvelles modifications post-traductionnelles d’histone (Yingming Zhao, Chicago), d’un laboratoire à la pointe de toutes les nouvelles technologies  « génomiques » (Bing Ren, UCSD) et de nous, qui appliquons toutes ces approches à la compréhension de la programmation épigénétique du génome mâle. Après la publication de nos premiers résultats fin 2011 (Tan et al., Cell, 2011), nous avons finalisé deux travaux prêts à être soumis pour publications prochainement.
Résumé de la soumission : La maturation post-méiotique des cellules germinales mâles est associée à l’une des réorganisations génomiques les plus spectaculaires connues. En effet, au cours de ce processus, l’empaquetage universel du génome des eucaryotes, dont l’élément de base est le nucléosome, change de nature pour passer à un état de compaction extrême, utilisant les protamines comme élément d’organisation. Bien qu’il s’agisse d’un phénomène fondamental à la base de la procréation, la nature des mécanismes moléculaires contrôlant la mise en place du génome mâle nous échappe presque complètement. Pour des raisons difficilement compréhensibles, cette partie essentielle de la biologie semble avoir été délaissée. L’ampleur de notre ignorance est telle que, même chez la levure, les phases post-méiotiques de la sporulation, montrant des similarités conceptuelles avec la spermatogenèse, ont échappé aux investigations mécanistiques.  En effet, nous ne savons pas encore si les histones sont maintenues ou bien entièrement ou partiellement enlevées au cours de la sporulation, et ne connaissons pas les mécanismes qui dirigent cette compaction extrême du génome (Govin et al., Genes & Dev, 2010, PMID: 20713519).Depuis une dizaine d’années, nous avons mis en place un programme de recherche ambitieux dont l’objectif est le démantèlement des bases moléculaires de l’organisation du génome mâle haploïde et de l’établissement de l’épigénome associé.  Bien que le déchiffrage de l’épigénome mâle ait suscité récemment un certain intérêt (voir par exemple Hammoud et al. Nature 2009 PMID: 19525931), à notre connaissance, aucune équipe ne développe un programme d’envergure et ciblé afin d’identifier les mécanismes sous jacents, notamment durant les phases post-méiotiques, lorsque les grandes transitions organisationnelles du génome se produisent. Vu la complexité du sujet et l’ampleur de notre ignorance, notre équipe mène son projet sur une base hautement collaborative et largement multidisciplinaire. Le soutien de l’ANR a eu un impact important sur le développement de ce programme (programme EpiSperm 2007-2011). En effet, des étapes cruciales ont été franchies grâce aux études structurales et fonctionnelles d’un facteur à double bromodomaine caractérisé dans notre équipe, Brdt (Morinière et al., 2009, Nature), ainsi que grâce à la découverte et aux analyses fonctionnelles de nouveaux variants d’histone (Govin et al., J. Cell. Biol. 2007). Ce programme nous a conduit à générer et/ou acquérir des modèles animaux pour Brdt (trois modèles) et deux variants d’histones, tH2B et H2AL2 (deux modèles pour chaque).Cette demande, EpiSperm2, nous permettrait de maintenir notre position « leader » dans ce domaine. En effet, grâce à ces investigations, notre équipe est aujourd’hui en position unique de proposer les premiers modèles moléculaires pour la mise en place du génome mâle et de l’épigénome associée. Ce nouveau programme, devrait nous emmener à finaliser une étape décisive et de renforcer notre position. Ces investigations sont évidemment très riches en applications, notamment dans le domaine de l’infertilité masculine et la procréation assistée, mais aussi, de manière plus inattendue, en cancérologie. En résumé nous avons mis en place une recherche fondamentale et translationelle originale avec un impact fort dans notre compréhension du vivant et dans la recherche médicale.
Résultats : Les résultats obtenus permettent pour la première fois de définir des modèles moléculaires pour une phase essentielle dans le cycle de la vie de toutes les eucaryotes : l’organisation du génome mâle/spore dans les phases post-méiotiques de la gamétogenèse et la transmission de l’épigénome.
Les retombées sont d’ordre conceptuel permettant de mettre en lumière un phénomène essentiel mais obscur de la biologie des organismes. De plus, les connaissances acquises permettent de mieux comprendre certaines causes de l’infertilité masculine et surtout d’appréhender la relation entre l’environnement et le génome mâle.
Notre laboratoire exploite également cette connaissance dans le domaine du cancer, car nous avons montré que les principaux facteurs dirigeant la différenciation des cellules mâles sont aussi exprimés de manière illégitime dans la plupart des cancers. Il s’agit d’un domaine du cancer très peu étudié avec des applications considérables dans la prise en charge des cancers. Dans ce contexte, nous sommes en contact avec les grands groupes pharmaceutiques pour agir sur les cancers en inhibant un certain nombre de ces facteurs.
Perspectives : Les modèles animaux et cellulaires seront multipliés pour affiner notre modèle moléculaire de la réorganisation post-méiotique du génome mâle. 
Les applications de ce modèle dans le domaine de la transmission de l’information épigénétique mâle, l’infertilité masculine et le cancer seront développées.
Publications et brevets : Le sujet étant d’une grande complexité et vu l’ampleur de notre ignorance, ce projet a été mené sur base très collaborative. Depuis de début des projets ANR EpiSperms (2007), 49 articles originaux et de synthèse dans les revues à comité de lecture ont été publiés. Ces articles correspondent à 29 collaborations avec des laboratoires nationaux et internationaux.
De plus sur l’aspect cancer quatre brevets ont déjà été déposés.