Molecular basis of the post-meiotic male genome programming

La chromatine des cellules spermatogèniques subit une réorganisation radicale pendant la spermiogenèse. Ce phénomène se produit pour deux raisons principales : premièrement, pour établir un génome très compact par l'incorporation de protamine, afin de protéger le génome du sperme avant et pendant la fécondation. Deuxièmement, afin de transférer avec succès l'information paternelle portée par le génome du sperme, à la génération suivante. Récemment, notre laboratoire a identifié différents acteurs et mécanismes moléculaires, qui sont au cœur de cette réorganisation radicale du génome. Une hyperacétylation des histones à l'échelle du génome amorce le processus de remplacement des histones par des protéines de transition et des protamines. Notre laboratoire a identifié NUT (Nuclear protein in Testis) comme le principal regulateur de l'hyperacétylation des histones au début du processus de transition histone-protamine. NUT par recrutement d'histone acétyltransférase CBP/p300, induit une hyperacétylation de l'histone H4 principalement au niveau des résidus lysine 5 et lysine 8. Ensuite, le premier bromodomaine de BRDT (bromodomaine contenant le facteur spécifique du test) reconnaît l'acétylation des histones et déclenche le processus d'élimination des histones. Le variant H2A.L.2 (H2A.Like 2) spécifique au testicule, forme un dimère avec le variant d'histone H2B, TH2B, au moment de l’éviction des histones dans les spermatides allongés. Le dimère H2A.L.2-TH2B s'incorpore alors dans la chromatine et ouvre la structure du nucléosome. Ceci permet l'invasion des histones par les protéines de transition ainsi que le traitement pré-protaminique. Les protamines déplacent finalement les complexes histone-TPs et compactele génome. Auparavant, notre laboratoire a rapporté qu'une fraction de H2A.L.2 resteassociée à des régions hétérochromatines péricentriques dans les spermatozoïdes matures. Au cours de mon doctorat, nous avons d'abord découvert les bases structurelles et moléculaires de l'activation du CBP/p300. Nous spéculons que les mêmes mécanismes pourraient mener à l'acétylation des histones induite par Nut-p300-dépendante, menant à l'initiation de l'élimination des histones dans les phases post-méiotiques de la spermatogenèse. Nous avons démontré également que la dissociation des nucléosomes à la suite de l'incorporation du H2A.L.2-TH2B permet au dimère H2A.L.2-TH2B de s'associer à l'ADN de façon stable, tandis que le tétramère H3-H4 est déplacé. Ceci conduit à la génération de structures à base de dimères H2A.L.2-TH2B, qui persistent dans le sperme mature. De plus, nous avons déchiffré la base moléculaire de la capacité intrinsèque de H2A.L.2 à cibler les régions hétérochromatines péricentriques. Nous avons également identifié un rôle critique vis-à-vis de l'ARN dans la régulation et le contrôle du renouvellement et de la localisation d’ H2A.L.2 dans les régions hétérochromatines péricentriques. En conclusion, nos travaux mettent en évidence la présence de structures à base de dimères dans la chromatine du sperme, ainsi qu'une reprogrammation spécifique de l'hétérochromatine péricentrique masculine. Ceci pourrait porter des informations essentielles transmissibles à la génération suivante.Spermatogenic cell chromatin undergoes a drastic reorganisation during spermiogenesis. This phenomenon occurs for two principles reasons: first, to establish a highly compact genome through protamine incorporation, in order to protect the sperm genome before and upon fertilization. Second, in order to successfully transfer the paternal information carried by the sperm genome, to the next generation. Recently, our laboratory identified various actors and molecular mechanisms, which are at the heart of this drastic genome reorganisation. A genome-wide histone hyperacetylation initiates the process of histone replacement by transition proteins and protamines. Our laboratory identified NUT (Nuclear protein in Testis) as the main player of histone hyperacetylation at the onset of histone-to-protamine transition process. NUT through recruitment of histone acetyltransferase CBP/p300, induces histone H4 hyperacetylation mainly at lysine 5 and lysine 8 residues. Next, first bromodomain of BRDT (Bromodomain containing Testis-specific factor) recognizes histone acetylation and initiates the process of histone removal. Previously identified testis-specific H2A variant, H2A.L.2 (H2A.Like 2), forms dimer with histone H2B variant TH2B at the time of histone eviction in elongating spermatids. The dimer H2A.L.2-TH2B then incorporates into the chromatin and opens the nucleosome structure, which allows the invasion of histones by transition proteins as well as pre-protamine processing. Protamines finally displace histone-TPs complexes and re-package the genome. Previously, our laboratory reported that a fraction of H2A.L.2 is associated with pericentric heterochromatin regions in mature spermatozoa. During my PhD, first we discovered the structural and molecular basis of the activation of CBP/p300. We speculate that the same mechanisms could lead to the Nut-p300-dependent induced histone acetylation, leading to the initiation of histone removal in post-meiotic phases of spermatogenesis. Second, we demonstrated that nucleosome dissociation following H2A.L.2 incorporation provides an opportunity for H2A.L.2-TH2B dimer to associate to DNA in a stable manner, while H3-H4 tetramer is being displaced. This leads to the generation of H2A.L.2-TH2B dimer-based structures, which persist in mature sperm. In addition, we deciphered the molecular basis of the intrinsic ability of H2A.L.2 to target the pericentric heterochromatin regions. We also identified a critical role for RNA in regulating and in controlling the turnover and localisation of H2A.L.2 in pericentric heterochromatin regions. In conclusion, our work highlights the presence of dimer-based structures within the sperm chromatin, as well as a specific re-programming of the male pericentric heterochromatin, which might bear crucial information transmittable to the next generation