Globozoospermia, from molecular pathogenesis to new therapeutic strategies

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