Une étude menée par des scientifiques de l'Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) et de l'Université du Kent révèle comment la structure tridimensionnelle du génome des cellules germinales mâles détermine l'évolution des génomes au fil du temps. Publié dans Nature Communications et menée chez des espèces de rongeurs, l'étude montre que les événements distinctifs survenant lors de la production d'ovules et de spermatozoïdes ont un impact différent sur l'évolution du génome et ouvre de nouvelles voies de recherche sur l'origine génétique de la structure du génome chez tous les organismes.

La comparaison des génomes de nombreuses espèces de mammifères différentes montre que si toutes les espèces ont un catalogue de gènes globalement similaire, ceux-ci sont disposés dans un ordre différent pour chaque espèce et peuvent être activés et désactivés différemment. Ces réarrangements peuvent affecter la fonction et la régulation des gènes et, par conséquent, jouer un rôle dans les changements évolutifs et dans la définition de l'identité des espèces. Jusqu'à présent, l'origine ultime de ces réarrangements restait un mystère :où (dans quels types de cellules) et quand (au cours du développement) apparaissent-ils ? Sont-ils un sous-produit du remaniement normal des gènes entre les copies de chromosomes qui se produit pendant la méiose, le processus cellulaire de production de gamètes (ovocytes et spermatozoïdes), ou à une autre étape du cycle de vie ?

Maintenant, une étude menée par des scientifiques de l'Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) et de l'Université du Kent montre que la production de sperme est essentielle à la façon dont les régions du génome sont réorganisées au sein et entre les chromosomes au cours de l'évolution. En particulier, les réarrangements chromosomiques héréditaires sont associés à des processus physiques et biochimiques spécifiques aux dernières étapes de la production de sperme, après la fin des divisions cellulaires méiotiques.

La séquence totale d'ADN ou du génome d'un individu est repliée dans une structure de chromatine 3D spécifiquement adaptée et dynamique dans les noyaux cellulaires, qui détermine quels gènes sont "activés" et lesquels sont "désactivés" dans chaque type de cellule. Les gamètes sont produits par tous les organismes à reproduction sexuée par un processus appelé méiose, qui implique un cycle de réplication du génome suivi de deux divisions cellulaires consécutives, pour ne laisser que des cellules haploïdes (gamètes) portant une seule copie de chaque chromosome. Au cours de la méiose, les gènes sont "mélangés" entre les copies chromosomiques héritées de la mère et du père, un processus connu sous le nom de recombinaison génétique. Ces événements complexes impliquent que le génome doit être conditionné et déconditionné de manière précise et hautement régulée dans la chromatine.

"Notre travail montre que la dynamique du remodelage de la chromatine lors de la formation des gamètes mâles est fondamentale pour comprendre quelles parties du génome sont situées à proximité les unes des autres à l'intérieur du noyau, et sont donc plus susceptibles d'être impliquées dans des réarrangements chromosomiques, à différents moments tout au long spermatogenèse masculine », déclare le Dr Aurora Ruiz-Herrera, professeure associée au Département de biologie cellulaire, physiologie et immunologie de l'Institut de biotechnologie et de biomédecine (IBB) de l'UAB.

Analyse des réarrangements du génome chez les rongeurs

Pour étudier l'évolution du génome, l'équipe a comparé les génomes de 13 espèces différentes de rongeurs et a "décrypté" les réarrangements qui les distinguaient. "Cela nous a permis de déterminer la configuration du génome de l'ancêtre commun du rongeur et de déterminer les emplacements des régions de rupture évolutives (EBR) participant aux réarrangements du génome", explique le Dr Marta Farré, maître de conférences en génomique à l'École des biosciences de l'Université. du Kent, et co-responsable de l'étude.

"Étonnamment, les EBR étaient associés à des régions actives dans les stades ultérieurs de la spermatogenèse, lorsque les cellules germinales mâles en développement sont appelées spermatides. Les réarrangements se produisant au niveau des EBR se sont avérés rompre et rejoindre des segments d'ADN physiquement proches les uns des autres dans la spermatide. noyau », explique le Dr Peter Ellis, maître de conférences en génétique moléculaire et reproduction à l'École des biosciences de l'Université du Kent, et co-responsable de l'étude.

De plus, les EBR n'étaient pas associés à des points chauds de recombinaison méiotique, ce qui indique que ces réarrangements ne se sont probablement pas produits pendant la méiose chez les mâles ou les femelles. Au lieu de cela, les EBR ont été corrélés avec les emplacements des dommages à l'ADN dans les spermatides.

Les spermatides sont des cellules subissant la dernière étape du développement des spermatozoïdes, après la fin de la division cellulaire - et les événements qui se produisent au cours de ce processus sont spécifiques aux hommes. Cela porte donc l'implication surprenante que les hommes et les femmes ne sont pas égaux en termes d'impact sur l'évolution du génome. "De tous les réarrangements qui distinguent une souris d'un rat, d'un écureuil ou d'un lapin, la majorité semble provenir d'un spermatozoïde plutôt que d'un ovule. Pour moi, cela montre que la lignée germinale mâle est le moteur global de l'évolution structurelle du génome », déclare le Dr Ellis.

"Nous montrons que les spermatozoïdes en développement conservent une "mémoire" des configurations précédentes du génome. Il existe des segments d'ADN qui faisaient autrefois partie d'un seul chromosome chez l'ancêtre commun des rongeurs, mais qui sont maintenant situés sur différents chromosomes chez la souris, mais ceux-ci se rapprochent encore. les uns aux autres et établir un contact physique spécifiquement dans le développement des spermatozoïdes », explique le Dr Marta Farré.

Pourquoi dans les cellules germinales mâles ?

Les auteurs proposent une explication de leurs résultats dans les différents événements qui se produisent lors de la production d'ovules et de spermatozoïdes. Alors que les spermatozoïdes et les ovules remanient l'ADN pendant la méiose, les cassures d'ADN créées au cours de ce processus sont réparées avec une grande précision. Cependant, les spermatozoïdes doivent également compacter leur ADN en un volume minuscule pour tenir dans la tête du sperme. Ce compactage provoque des ruptures d'ADN et utilise une méthode sujette aux erreurs pour réparer l'ADN. Certaines de ces erreurs peuvent générer des réarrangements génomiques, ce qui explique pourquoi le développement des spermatozoïdes est un facteur critique de l'évolution du génome.

On the other side, a current unsolved mystery is why some species have very stable genomes with few rearrangements, while others have highly dynamic genomes with multiple rearrangements. "Our work suggests that this may be due to the details of where and when DNA is broken and repaired during sperm production," says Dr. Ruiz-Herrera.

While the study was carried out in rodents, spermatogenesis is a highly conserved process, and therefore this principle is likely to apply widely throughout the tree of life, researchers point out.

Participating in this study led by the UAB and University of Kent were also the research teams from Josep Carreras Leukaemia Research Institute (IJC) and Sequentia Biotech.