Altérations génétiques dans les phénotypes spermatiques monomorphes : cas de la globozoospermie et de la macrocéphalie

par Fatma Ben Messaoud

Thèse de doctorat en Génétique

Sous la direction de Jean-Michel Dupont et de Leila Keskes.

Soutenue le 24-11-2018

à Sorbonne Paris Cité en cotutelle avec l'Université de Sfax (Tunisie) , dans le cadre de École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris ; 2014-....) , en partenariat avec Université Paris Descartes (1970-2019) (établissement de préparation) .

Le président du jury était Faiza Fakhfakh.

Le jury était composé de Jean-Michel Dupont, Leila Keskes, Faiza Fakhfakh, Saber Masmoudi, François Vialard, Christophe Sifer.

Les rapporteurs étaient Saber Masmoudi, François Vialard.


  • Résumé

    L'infertilité humaine représente un problème de santé publique qui affecte 10-15% des couples avec des causes masculines retrouvées dans 50% des cas. En raison de la grande diversité des anomalies responsables d'infertilité masculine nous avons choisi de sélectionner des phénotypes spermatiques monomorphes précis (macrocéphalie et globozoospermie) pour faciliter les corrélations génotype - phénotype et l'identification de nouveaux gènes. La globozoospermie est une tératozoospermie monomorphe, rare, secondaire dans 70-75% des cas à une anomalie du gène DPY19L2 qui intervient dans la formation de l'acrosome. La macrocéphalie ou syndrome des spermatozoïdes macrocéphales (SSM) est caractérisée par une augmentation très importante du volume de la tête et la présence inconstante de plusieurs flagelles. Le gène majeur impliqué dans cette pathologie est le gène AURKC. Une proportion de 20-30% des cas de globozoospermie et de SSM demeurent sans cause génétique connue. Les objectifs de notre travail sont d'une part, d'identifier de nouveaux gènes impliqués dans ces deux phénotypes spermatiques précis de manière à améliorer la prise en charge et le conseil génétique de ces patients, et d'autre part d'étudier l'architecture du génome dans les spermatozoïdes globozoocéphales pour mieux comprendre le rôle de DPY19L2 dans l'organisation du génome spermatique. L'étude du phénotype globozoocéphale a été menée sur une cohorte de 10 patients infertiles, maghrébins et européens. L'analyse moléculaire du gène DPY19L2 a révélé la présence d'une délétion à l'état homozygote chez quatre patients. Une délétion à l'état hétérozygote associée à une nouvelle mutation a été mise en évidence chez deux patients non apparentés. Il s'agit d'une mutation faux sens (c.2056A>G) responsable d'une substitution d'une arginine, conservée au cours de l'évolution, par une glycine (p.R 686G). Les études in silico ainsi que l'absence de cette variation chez 100 témoins fertiles d'origine tunisienne suggèrent que cette mutation aurait un effet délétère sur la fonction de la protéine Dpy19l2. Quatre patients restent sans cause génétique identifiée à ce jour. En raison de l'association de Dpy19l2 avec la lamina et de son rôle potentiel de protéine LINC, nous avons recherché en FISH-3D l'existence d'une altération de l'organisation du génome spermatique chez les patients déficients en Dpy19l2 comparée à des témoins fertiles. Nos résultats montrent une augmentation du nombre de chromocentres et une organisation spatiale altérée des régions télomériques et des territoires chromosomiques. Ces résultats renforcent l'hypothèse que Dpy19l2 pourrait être considérée comme une protéine de type LINC et jouerait un rôle crucial dans l'organisation de la chromatine nucléaire dans le noyau spermatique. Ces altérations architecturales du génome pourraient participer à l'arrêt précoce du développement embryonnaire observé après ICSI chez les patients ayant des anomalies du gène DPY19L2. Nous avons par ailleurs recruté une cohorte de 23 patients d'origine nord- africaine et européenne et présentant le phénotype typique ou atypique du SSM. Le séquençage du gène AURKC chez tous les patients a mis en évidence la présence de la mutation récurrente c.144delC chez 18 patients, et la deuxième mutation récurrente p.Y248X chez deux patients, en accord avec les données de la littérature. Un séquençage d'exome a été réalisé chez les trois patients pour lesquels aucune mutation du gène AURKC n'a été retrouvée. Ces trois patients avaient des phénotypes partiels ou atypiques du SSM. Une nouvelle mutation faux sens a été découverte à l'état homozygote au niveau d'un nouveau gène candidat, TNKS1BP1, très fortement exprimé au niveau du testicule et impliqué dans le contrôle du cycle cellulaire, la mitose et la méiose.

  • Titre traduit

    Genetic defects associated with globozoospermia and macrozoospermia : two severe forms of monomorphic teratozoospermia


  • Résumé

    Human infertility affects 10-15% of couples worldwide and represents a major health issue. Although multifactorial, male infertility has a strong genetic basis which has so far not been fully deciphered. Recent studies of consanguineous families and of small cohorts of phenotypically homogeneous patients have however allowed the identification of new genes causing teratozoospermia, including globozoospermia and macrozoospermia. Globozoospermia is a rare and severe form of teratozoospermia characterized by the presence in the ejaculate of a large majority of round spermatozoa lacking the acrosome. Genetic defects of DPY19L2 represent the main cause of this teratozoospermia by preventing the anchoring of the acrosome to the nucleus. Patients with large-headed multiflagellar spermatozoa, named also macrozoospermia or macrocephalic sperm head syndrome, present with a primary infertility characterized by the presence in the ejaculate of 100% abnormal spermatozoa with an oversized irregular head, abnormal midpiece and acrosome, and multiple flagella. Homozygous mutations of aurora kinase C (AURKC) are responsible for most cases of macrozoospermia. Neverthless 20 to 30% of patients with macrozoopsermia and globozoospermia remain without known genetic causes sugesting that these phenotypes are genetically heterogeneous. The purpose of this study is to identify new genes responsible for globozoospermia and macrozoospermia to improve the management and genetic counseling of these patients, on the one hand, and to explore the three-dimensional (3D) organization of sperm genome in DPY19L2-deficient globozoospermic patients speculating a role for Dpy19l2 in genome organization of sperm nucleus, on the other hand. We screened for DPY19L2 deletion and mutations, as well as mutations in SPATA16 in a cohort of 10 Tunisian and European globozoospermic patients. Molecular analyses performed on 9 genetically independent individuals showed that four (40%) were homozygous for the DPY19L2 deletion, two were heterozygous for the deletion and a new non-synonymous mutation (p.R 686G) in exon 21, and no DPY19L2 or SPATA16 mutations were identified for 4 patients. Because Dpy19l2 protein has been shown to be localized in the inner nuclear membrane and was suggested to have a LINC-like function, we hypothesized that a functional defect of this protein may induce an altered chromatin packaging in DPY19L2-deficient globozoospermic human sperm nuclei. Study of chromatin organization in DPY19L2-deficient globozoospermic patients and healthy donors using three-dimensional fluorescence in situ hybridization (3D-FISH) showed that the absence of Dpy19l2 leads to a disturbance of the overall sperm nuclear architecture. Dpy19l2-deficient nuclei had a altered organization of the chromocenter resulting in an increased number of chromocenters, and an altered spatial organisation of telomeric regions and chromosome territories (CTs). Our findings strengthen the hypothesis that Dpy19l2 might be considered as a LINC-like protein having a crucial role in the organization of nuclear chromatin in sperm nucleus through its interaction with nuclear lamina. Our results might also explain defective embryonic development after intracytoplasmic sperm injection (ICSI) performed with DPY19L2-deficient globozoospermic sperm. Genetic screening for AURKC mutations in a cohort of 23 Tunisian and European macrozoospermic patients, showed that 18 patients had the most frequent recurrent mutation (c.144delC) and two patients had the second most frequent mutation (p.Y248X). Exome sequencing was performed for the remaining three macrozoospermic patiens without AURKC mutations. Bioinformatic analyses showed a new homozygous non-synonymous mutation in a candidate gene, TNKS1BP1, highly expressed in testis and implicated in control of cell cycle, mitosis and meiosis.

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