Search

The spermatozoon is one of the most differentiated cells in mammals and its production requires an extremely complex machinery. Subtle but critical molecular changes take place during capacitation, which comprises the last series of maturation steps that naturally occur between the cauda epididymidis where spermatozoa are stored and their ultimate destination inside the oocyte. Phospholipases, by hydrolyzing various phospholipids, have been found to be critical in sperm processes such as 1) the control of flagellum beats, 2) capacitation - the molecular transformations preparing the sperm for fertilization, 3) acrosome reaction and 4) oocyte activation by eliciting calcium oscillations. The emerging important role of phospholipases is also emphasized by the fact that alterations of sperm lipids can lead to infertility. Phospholipases may represent valuable targets to develop anti- and pro-fertility drugs. Results obtained in mice are encouraging, since treatment of sperm with recombinant sPLA(2) of group X, known to be involved in capacitation, improves fertilization in vitro, while co-injection of PLCζ RNA with infertile sperm restores oocyte activation.

Approximately 10-15% of couples experience infertility and male factors contribute to half of these cases. It was usually thought that infertility cannot be transmitted, but accumulating evidence indicates that many cases are indeed caused by genetic defects, some inherited. The use of single nucleotide polymorphisms (SNP) arrays allowing to genotype the totality of the genome recently led to identify several genes which, when mutated, generate specific infertility phenotypes. With the tremendous progresses in high throughput sequencing techniques, we can expect many more new genes involved in fertility to be identified in the next years. For the patients concerned, these findings mean the possibility of an accurate diagnosis and improved prognosis. Furthermore, these data will lead to a better understanding of the molecular mechanisms underlying spermatogenesis and thus should contribute to identify and offer new therapeutic strategies for the treatment of infertility.

Male infertility is a growing concern in modern societies. Among the various causes of male factor infertility, some have a genetic origin. This is the case of type I globozoospermia, a severe infertility characterized by the presence in the ejaculate of a majority of round spermatozoa devoid of acrosome. This pathology presents a complex phenotype associating to the absence of the acrosome, sperm nuclear compaction defects, DNA damage and failure in egg activation.Recently our team identified the DPY19L2 gene as responsible for a large majority of pure globozoospermia cases (>80%) and therefore represents the major cause of type I globozoospermia in humans. The function of the protein was completely unknown at the time of identification of DPY19L2 gene, we then performed a fundamental study of the molecular mechanisms underlying the molecular pathogenesis of the disease and have shown, through the use of knockout mice model for the Dpy19l2 gene, that the protein is localized in the inner nuclear membrane and is necessary for the anchoring of the acrosome to the nuclear envelope. In order to characterize new actors of acrosome attachment, we assessed the importance of Sun5 (also called Spag4l) in acrosome attachment which was previously shown to be expressed in NE of spermatogenic cells, facing the acrosome and that could be a partner of Dpy19l2. Interestingly we demonstrate that Sun5 and Dpy19l2 are not partners and that Sun5, is not as initially reported, facing the acrosome but is in fact excluded from this zone. We were also interested in understanding the main molecular causes of the poor fertilization ability or the very low success rate in ICSI when performed with globozoospermics sperm.Therefore we have searched the PLC ζ protein, the sperm factor thought to induce the Ca2+ oscillations responsible for egg activation, in human spermatozoa from patients with DPY19L2 deleted gene and in murine spermatozoa from Dpy19l2 Knock-Out mice and showed that actually this protein is absent both in patients and in KO mice. We also made a comparative study of the main stages of genome compaction of sperm from both WT and Dpy19l2 KO mice and we showed that Dpy19l2 deficient sperm displays defective genome condensation and DNA alterations. Thus, PLC ζ deficiency, the compaction defects and the high rate of DNA fragmentation may explain the failure of fertilization after ICSI, and the poor development of embryos from patients deficient for the gene DPY19L2 as well as Dpy19l2 KO mice.Understanding the physiopathology of globozoospermia should allow the proposal of new therapeutic strategies that improves the rate of embryonic development in ART.; L'infertilité masculine est une préoccupation croissante dans les sociétés modernes. Parmi les différentes causes d'infertilités masculines, certaines ont une origine génétique. C'est le cas de la globozoospermie de type I, une infertilité sévère caractérisée par la production exclusive des spermatozoïdes ayant une tête ronde et sans acrosome. Cette pathologie présente un phénotype complexe associant à l'absence de l'acrosome, des défauts de compaction nucléaire, des lésions de l'ADN et une déficience d'activation ovocytaire.Récemment notre équipe a montré que le gène DPY19L2 est impliqué dans 60 à 80% des cas de globozoospermie de type I et représente donc la cause majeure de la globozoospermie de type I chez l'homme. La fonction de la protéine étant complètement inconnue au moment de l'identification du gène DPY19L2, nous avons alors réalisée une étude fondamentale sur les mécanismes moléculaires expliquant la pathogénie moléculaire de cette maladie et avons démontré, grâce à l'utilisation du modèle des souris KO pour le gène Dpy19l2, que la protéine est localisée dans la membrane nucléaire interne et est nécessaire à l'ancrage de l'acrosome sur l'enveloppe nucléaire. Dans le but d'identifier d'autres acteurs impliqués dans l'attachement de l'acrosome au noyau spermatique, nous nous sommes intéressés à l'étude de la protéine Sun5 de l'enveloppe nucléaire interne située en regard de l'acrosome qui pouvait être un partenaire de Dpy19l2. On a trouvé que les deux protéines n'étaient pas des partenaires puisque Sun5 était, contrairement à ce qui a été décrit dans la littérature, du côté postérieur opposé à l'acrosome. En deuxième temps, nous nous sommes intéressés à la compréhension des principales causes moléculaires de l'absence de fécondation ou du très faible taux de réussite lors d'ICSI réalisées avec des spermatozoïdes globozoospermiques.Pour ce faire, nous avons recherché la protéine PLC ζ, le principal facteur spermatique activateur de l'ovocyte, dans les spermatozoïdes humains provenant de patients délétés pour le gène DPY19L2 et murins (de souris KO Dpy19l2-/-) et avons montré qu'effectivement cette protéine est absente tant chez les patients que dans le modèle d'étude murin. Nous avons également réalisé une étude comparative des principales étapes de la compaction du génome spermatique entre les souris mâles WT et Dpy19l2-/- et nous avons montré que la compaction du génome des spermatozoïdes globozoospermiques était défectueuse avec un défaut de protamination et une rétention des histones. Ainsi, la déficience en PLC ζ, les défauts de compaction et le taux élevé de fragmentation de l'ADN sont susceptibles d'expliquer l'échec de la fécondation après ICSI, et le développement très réduit des embryons issus des patients déficients pour le gène DPY19L2 ainsi que des souris Dpy19l2-/-. La compréhension de cette physiopathologie devrait permettre la proposition de nouvelles stratégies thérapeutiques permettant d'améliorer le taux du développement embryonnaire en AMP.

Male infertility is a growing concern in modern societies. Among the various causes of male factor infertility, some have a genetic origin. This is the case of type I globozoospermia, a severe infertility characterized by the presence in the ejaculate of a majority of round spermatozoa devoid of acrosome. This pathology presents a complex phenotype associating to the absence of the acrosome, sperm nuclear compaction defects, DNA damage and failure in egg activation.Recently our team identified the DPY19L2 gene as responsible for a large majority of pure globozoospermia cases (>80%) and therefore represents the major cause of type I globozoospermia in humans. The function of the protein was completely unknown at the time of identification of DPY19L2 gene, we then performed a fundamental study of the molecular mechanisms underlying the molecular pathogenesis of the disease and have shown, through the use of knockout mice model for the Dpy19l2 gene, that the protein is localized in the inner nuclear membrane and is necessary for the anchoring of the acrosome to the nuclear envelope. In order to characterize new actors of acrosome attachment, we assessed the importance of Sun5 (also called Spag4l) in acrosome attachment which was previously shown to be expressed in NE of spermatogenic cells, facing the acrosome and that could be a partner of Dpy19l2. Interestingly we demonstrate that Sun5 and Dpy19l2 are not partners and that Sun5, is not as initially reported, facing the acrosome but is in fact excluded from this zone. We were also interested in understanding the main molecular causes of the poor fertilization ability or the very low success rate in ICSI when performed with globozoospermics sperm.Therefore we have searched the PLC ζ protein, the sperm factor thought to induce the Ca2+ oscillations responsible for egg activation, in human spermatozoa from patients with DPY19L2 deleted gene and in murine spermatozoa from Dpy19l2 Knock-Out mice and showed that actually this protein is absent both in patients and in KO mice. We also made a comparative study of the main stages of genome compaction of sperm from both WT and Dpy19l2 KO mice and we showed that Dpy19l2 deficient sperm displays defective genome condensation and DNA alterations. Thus, PLC ζ deficiency, the compaction defects and the high rate of DNA fragmentation may explain the failure of fertilization after ICSI, and the poor development of embryos from patients deficient for the gene DPY19L2 as well as Dpy19l2 KO mice.Understanding the physiopathology of globozoospermia should allow the proposal of new therapeutic strategies that improves the rate of embryonic development in ART., L'infertilité masculine est une préoccupation croissante dans les sociétés modernes. Parmi les différentes causes d'infertilités masculines, certaines ont une origine génétique. C'est le cas de la globozoospermie de type I, une infertilité sévère caractérisée par la production exclusive des spermatozoïdes ayant une tête ronde et sans acrosome. Cette pathologie présente un phénotype complexe associant à l'absence de l'acrosome, des défauts de compaction nucléaire, des lésions de l'ADN et une déficience d'activation ovocytaire.Récemment notre équipe a montré que le gène DPY19L2 est impliqué dans 60 à 80% des cas de globozoospermie de type I et représente donc la cause majeure de la globozoospermie de type I chez l'homme. La fonction de la protéine étant complètement inconnue au moment de l'identification du gène DPY19L2, nous avons alors réalisée une étude fondamentale sur les mécanismes moléculaires expliquant la pathogénie moléculaire de cette maladie et avons démontré, grâce à l'utilisation du modèle des souris KO pour le gène Dpy19l2, que la protéine est localisée dans la membrane nucléaire interne et est nécessaire à l'ancrage de l'acrosome sur l'enveloppe nucléaire. Dans le but d'identifier d'autres acteurs impliqués dans l'attachement de l'acrosome au noyau spermatique, nous nous sommes intéressés à l'étude de la protéine Sun5 de l'enveloppe nucléaire interne située en regard de l'acrosome qui pouvait être un partenaire de Dpy19l2. On a trouvé que les deux protéines n'étaient pas des partenaires puisque Sun5 était, contrairement à ce qui a été décrit dans la littérature, du côté postérieur opposé à l'acrosome. En deuxième temps, nous nous sommes intéressés à la compréhension des principales causes moléculaires de l'absence de fécondation ou du très faible taux de réussite lors d'ICSI réalisées avec des spermatozoïdes globozoospermiques.Pour ce faire, nous avons recherché la protéine PLC ζ, le principal facteur spermatique activateur de l'ovocyte, dans les spermatozoïdes humains provenant de patients délétés pour le gène DPY19L2 et murins (de souris KO Dpy19l2-/-) et avons montré qu'effectivement cette protéine est absente tant chez les patients que dans le modèle d'étude murin. Nous avons également réalisé une étude comparative des principales étapes de la compaction du génome spermatique entre les souris mâles WT et Dpy19l2-/- et nous avons montré que la compaction du génome des spermatozoïdes globozoospermiques était défectueuse avec un défaut de protamination et une rétention des histones. Ainsi, la déficience en PLC ζ, les défauts de compaction et le taux élevé de fragmentation de l'ADN sont susceptibles d'expliquer l'échec de la fécondation après ICSI, et le développement très réduit des embryons issus des patients déficients pour le gène DPY19L2 ainsi que des souris Dpy19l2-/-. La compréhension de cette physiopathologie devrait permettre la proposition de nouvelles stratégies thérapeutiques permettant d'améliorer le taux du développement embryonnaire en AMP.

The spermatozoon is a highly specialized cell that must be able to perform specific functions tofertilize the oocyte. It must be able to perform the acrosome reaction, an exocytosis of a giant vesicleof secretion, attached to the nucleus. This vesicle contains enzymes that allow the sperm to penetratethe zona pellucida surrounding the oocyte. The aim of my work was first to study the effect of anenzyme present in the acrosome, the sPLA2 of group X in mouse (mGX). This is the onlymammalian phospholipase among the five tested that has an inhibitory effect on sperm specificpopulation with low mobility. My work has confirmed the specificity of this phospolipase on theregulation of sperm physiology. Second, I participated in the discovery of the gene DPY19L2involved in male infertility, globozoospermia. The globozoospermia is characterized by round headspermatozoa without acrosome. DPY19L2 gene is specifically expressed in the testis and is absent in80% of globozoospermic patients. I then identified the role of this protein, which is involved in theattachment of the acrosome to the nucleus. I showed that this protein belongs to the inner nuclearmembrane where it likely interacts with the protein sun5 which also belongs to the inner nuclearmembrane and whose expression is specific to spermiogenesis. Sun5 is involved in the complexformation, called LINC that connects the cytoskeleton to the nucleoskeleton lamina. The role ofDpy19l2 could help stabilizing the anchoring of protein sun5 in order to transmit the forces exertedby the cytoskeleton to the nucleus of the spermatid during acrosome spreading. Dpy19l2 belongs to aprotein family containing 4 members, Dpy19l1 to l4, which has not been poorly studied so far. Arecent study shows that the knock-down of Dpy19l1 resulted in defective glutamatergics neuronsmigration on the radial glia. The results obtained during my work would improve the knowledge ofCytoskeleton-nucleoskeleton interaction, and give new insight on this new family of proteins., Le spermatozoïde est une cellule hautement spécialisée qui doit être capable de réaliser des fonctionsspécifiques pour être capable de féconder un ovocyte. Il doit être capable de réaliser une réactionacrosomique qui consiste en l’exocytose d’une vésicule géante de sécrétion attachée au noyau. Cettevésicule contient des enzymes qui vont permettre au spermatozoïde de traverser la zone pellucide quientoure l’ovocyte. Mon travail a consisté à étudier l’effet d’une des enzymes contenue dansl’acrosome, la sPLA2 de mammifère de groupe X (mGX). C’est la seule phospholipase demammifères parmi les 5 testées qui a un effet d’inhibition sur une population spécifique despermatozoïdes ayant une mobilité diminuée. Mon travail a ainsi confirmé la spécificité de cettephospolipase sur la régulation de la physiologie spermatique. Dans un deuxième temps, j’ai participéà la découverte du gène DPY19L2 impliqué dans une infertilité masculine rare, la globozoospermie.La globozoospermie se caractérise par des spermatozoïdes ayant une tête ronde dépourvued’acrosome. Le gène DPY19L2 est spécifiquement exprimé dans les testicules, il est absent chez80% des patients globozoospermiques. J’ai caractérisé le rôle de cette protéine et montré qu’elle estimpliquée dans l’attachement de l’acrosome au noyau. J’ai pu montrer que cette protéine appartient àla membrane nucléaire interne où elle interagit avec la protéine Sun5, une protéine qui appartientaussi à la membrane nucléaire interne et dont l’expression est spécifique à la spermiogénèse. Sun5est impliquée dans la formation de complexes LINC (Linker of Nucleoskeleton and Cytoskeleton)qui permettent de relier le cytosquelette au nucléosquelette, constitué entre autres par les lamines. Lerôle de DPY19L2 pourrait permettre de stabiliser l’ancrage de la protéine SUN5 afin de transmettreles forces exercées par le cytosquelette au noyau de la spermatide. DPY19L2 appartient à une famillede protéines DPY19L1 à L4 dont les fonctions restent encore peu caractérisées. Une étude récentemontre qu’une diminution de l’expression de Dpy19l1 chez la souris entraîne un défaut de migrationdes neurones glutamatergiques sur la glie radiale. Mon travail a montré l’importance de DPY19L2dans le contrôle des interactions noyau-cytosquelette et devrait permettre de mieux comprendre lerôle des autres protéines de cette famille dans divers organes.

The fall of the world male fertility these last decades became alarming. Thus, a man on fifteen is subfertile. If the causes of the fall of fertility seem to be mainly related on the environment and the lifestyle, it is essential to understand all the mechanisms which control the fertilizing ability of spermatozoon in order to optimize the techniques of procreation medically assisted. The development of new research orientations, experimental and theoretical, to identify the subjacent mechanisms of male infertility is essential. In this context, development of new experimental strategies that is situated this work of thesis. The strategy that I employed here is research new pharmacological tools starting from venom of animals by tests of biological activities. This research allowed us to discover a new regulatory pathway of sperm physiology involving secreted phospholipases A2. Thus, we showed for the first time that secreted phospholipases A2 regulate four key events of sperm physiology: Capacitation Acrosome reaction, sperm motility and gamete interaction., La baisse de la fertilité masculine mondiale ces dernières décennies est devenue préoccupante. Ainsi, un homme sur quinze est subfertile. Si les causes de la baisse de fertilité semblent être essentiellement liés à l'environnement et au mode de vie, il est essentiel de comprendre tous les mécanismes qui régulent le pouvoir fécondant du spermatozoïde afin d'optimiser les techniques de procréation médicalement assistée. Le développement de nouveaux axes de recherche, expérimentaux et théoriques, pour identifier les mécanismes sous-jacents de l'infertilité masculine est indispensable. C'est dans ce contexte, de développement de nouvelles stratégies expérimentales que se situe ce travail de thèse. La stratégie que j'ai employée ici est la recherche de nouveaux outils pharmacologiques à partir de venin d'animaux par des tests d'activités biologiques. Cette recherche nous a permis de mettre en évidence une nouvelle voie de régulation de la physiologie spermatique : la voie des phospholipases A2 secrétées. Ainsi, nous avons montré pour la première fois que les phospholipases A2 secrétées, régulent 4 étapes clé de la fécondation : la capacitation, la mobilité spermatique, la réaction acrosomique et l'interaction gamétique.