Le remplacement des histones par les protéines de transition et les protamines

il se produit un événement unique absent de tout autre cellule somatique ou germinale : les histones sont remplacées par des protéines de transition qui sont à leur tour déplacées par des protamines, petites protéines basiques, riche en arginine et cystéine. Chez la souris et chez l’homme, plus de 90% des histones seraient remplacées par les protamines.

Chez les mammifères, les gènes codant pour les protéines de transition et les protamines sont transcrits principalement dans les spermatides rondes. Les ARNm correspondants sont maintenus dans un état de traduction réprimé, et ne sont traduits que dans les stades plus avancés (Steger et al., 2000).

4.1. Les protéines de transition

Les protéines de transition sont des molécules basiques, riches en résidus arginine et lysine. Ces protéines se fixent de manière transitoire à l’ADN avant la mise en place des protamines. Les protéines de transition représentent 90% des protéines basiques de la chromatine dans les

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spermatides de stade 12-13, stade où les histones ont été enlevées et où les protamines ne sont pas encore incorporées (Meistrich et al., 2003). Le nombre de protéines de transition est variable selon les espèces. Chez les mammifères, quatre protéines de transition ont été identifiées, TP1 à TP4. TP1 et TP2 représentant respectivement 50% et 40% des protéines nucléaires spermatiques, (Meistrich et al., 2003), elles sont les plus étudiées et les mieux décrites.

Chez la souris, les gènes codant pour les protéines de transition TP1 et TP2 sont transcrits dans les spermatides rondes de type 7 (Mali et al., 1989). Les ARNs messagers correspondants sont stockés dans le cytoplasme pendant 3 à 7 jours après la transcription sous la forme de ribonucléoprotéines (Kwon and Hecht, 1993). Les protéines correspondantes sont traduites dans les spermatides en condensation de type 12 et 13(Grimes et al., 1977).

Chez la souris, TP1 est une protéine de faible poids moléculaire (6,2 kDa), qui contient environ 20% d’arginine et 20% de lysine. Elle est abondamment exprimée, et sa séquence est relativement bien conservée d’une espèce à l'autre.

TP2 contient 10% d’arginine, 10% de lysine, 5% de cystéine et à un poids moléculaire de 13 kDa. Contrairement à TP1, sa séquence n’est pas très conservée, et son taux d’expression varie d’une espèce à l’autre (Steger et al., 1998).

L’invalidation chez la souris de TP1 ou TP2 ne montre pas un phénotype radical, puisque ces souris sont fertiles, que leurs testicules sont normaux et que l’incorporation des protamines a bien lieu (Adham et al., 2001; Yu et al., 2000; Zhao et al., 2001). Il est toutefois à noter que les souris invalidées pour TP1 montrent une fertilité réduite de moitié tandis que les portées des souris invalidées pour TP2 sont plus petites.

En revanche, l’invalidation simultanée des deux protéines des deux protéines de transition conduit à une stérilité chez la souris (Shirley et al., 2004; Zhao et al., 2004). Les spermatides des stades tardifs de la spermiogénèse montrent des défauts morphologiques et une mauvaise condensation de la chromatine, avec des cassures au niveau de leur ADN et pas de clivage de la pré-protamine 2 en protamine 2. Les mâles montrent une réduction drastique du nombre de spermatozoïdes dans l’épididyme, ces derniers étant n’étant pas fécondants in vitro par injection intra-cytoplasmique de spermatozoïde.

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4.2. Les protamines

Les protamines sont les protéines nucléaires majeures des spermatides condensées (type 15 et 16) et des spermatozoïdes. Ce sont de petites molécules basiques riches en arginines et en cystéines. Ces dernières permettent la formation de ponts disulfures qui verrouillent la structure condensée dans le noyau des spermatozoïdes. Si la plupart des mammifères possède une seule protamine de 50 acides aminés (environ 5,5 kDa), Prm1, l’homme et la souris entre autres comptent une deuxième protamine, Prm2 (Figure 20). A la différence de Prm1 qui est directement traduite à partir de son ARNm, Prm2 est synthétisée sous la forme d’un précurseur de 106 acides aminés, qui après 6 clivages protéiques successifs (Chauvière et coll., 1992), donne une protéine mature de 63 acides aminés (environ 7 kDa).

Chez la souris, la transcription des gènes codant pour les protamines Prm1 et Prm2 débute dans les spermatides rondes (type 7), de façon simultanée à celle des gènes des protéines de transition (Mali et al., 1989). Les protéines correspondantes sont principalement traduites dans spermatides condensées de type 14 à 16, Prm2 étant détectée un peu plus tardivement que Prm1 du fait de sa maturation post-traductionnelle (Balhorn et al., 1984; Biggiogera et al., 1992).

De façon similaire aux protéines de transition, les protamines sont capables de condenser l’ADN in vitro (Balhorn et al., 2000; Brewer et al., 2003; Kwon and Hecht, 1993). Les deux protamines sont nécessaires à une condensation post méiotique correcte de la chromatine chez la souris. En effet, l’invalidation de Prm1 ou de Prm2 rend les souris hétérozygotes stériles, signifiant bien que ces deux protamines sont essentielles pour une fonctionnalité normale des spermatozoïdes (Cho et al., 2001). La diminution de l’expression de l’une ou l’autre des protamines induirait des défauts de formation du noyau et perturberait la maturation post- traductionnelle de la protéine Prm2.

La phosphorylation des protamines semble essentielle à leur fonctionnement. En effet, une mutation de la protéine kinase Camk4, qui phosphoryle Prm2, induit un défaut de spermatogénèse et une stérilité mâle (Wu et al., 2000; Wu and Hecht, 2000) 2000).

Figure 20. Représentation schématique des protéines et des gènes des protamines

Au niveau de l’ADN, les deux exons sont représentés par les barres sous les protéines. Au niveau protéique, la nature et la position des acides aminés importants pour le clivage post-traductionnel et pour la phosphorylation sont indiqués sur le dessus de la protéine. Les domaines d’intéraction à l’ADN sont représentés.

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Les histones sont donc progressivement remplacées au cours de la spermatogenèse par les protéines de transition, puis par les protamines. L’explication conventionnelle d’une telle réorganisation nucléaire du noyau spermatique, serait de permettre une meilleure protection contre les potentielles mutations de l’ADN, celui-ci étant dans un état beaucoup plus compacté. L’autre explication possible serait que cette compaction nucléaire du spermatozoïde favoriserait sa pénétration dans l’oeuf (Hennig, 2003).

4.3. Les mécanismes de cette réorganisation

Peu de choses sont connues sur les mécanismes qui permettent ce remodelage de la chromatine au cours de la spermatogénèse. L’identification d’une protéine spécifique du testicule contenant deux bromodomaines (domaine liant spécifiquement les histones acétylées), appelée Brdt, a été une première piste pour la compréhension de ces mécanismes. Chez la souris, Brdt colocalise en immunofluorescence avec la vague d’hyperacétylation des histones (Govin et al., 2006) et possède la propriété d’induire une compaction de la chromatine (Pivot-Pajot et al., 2003). De plus, des travaux in vitro et dans les cellules somatiques ont montré que Brdt liait l’histone H4ac, l’intégrité du premier bromodomaine et des régions flanquantes étant nécessaire à cette interaction (Pivot-Pajot et al., 2003). Or le premier bromodomaine semble nécessaire à la spermatogenèse chez la souris. En effet, une mutagenèse dirigée contre le premier domaine donne des souris viables, mais stériles, produisant des gamètes morphogénétiquement aberrantes à partir du stade des spermatides allongées (Shang et al., 2007). De manière identique chez l’homme, des travaux très récents de notre équipe en collaboration avec le laboratoire de Christophe Müller, montrent qu’une mutation ponctuelle dans la région flanquante du premier bromodomaine induit une infertilité chez l’homme (publication acceptée).

Ainsi, BRDT serait un facteur clé dont les propriétés uniques permettent de relier la vague d’acétylation massive des histones précédant leur remplacement à la poursuite correcte de la spermiogenèse.

Bien que la quasi-totalité des histones soit enlevée et remplacée par les protéines de transition et les protamines, aucune chaperonne n’est connue pour contrôler l’assemblage de ces protéines spécifiques. Ainsi, au sein du laboratoire, par co-immunoprécipitation sur un extrait testiculaire acide, nous avons mis en évidence une interaction entre la protéine HSP70.2, un membre de la famille des HSP70 spécifique du testicule, et les protéines de transition TP1 et

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TP2, dans les stades post-méiotiques où ces protéines sont incorporées à la chromatine (Govin et al., 2006). HSP70.2 a ainsi été identifiée comme la première chaperonne des protéines de transition. L’ensemble de ces travaux a fait l’objet d’une publication dans laquelle j’ai été associée et qui est présentée dans le paragraphe Résultats C.