Pourquoi les spermatozoïdes n’ont pas d’ADN mitochondrial

L’ADN mitochondrial (ADNmt) est hérité de la mère (chez presque tous les vertébrés). Le sperme humain est constitué d’une tête avec le noyau, d’une queue pour la mobilité et, entre les deux, d’une gaine qui contient des mitochondries comme source d’énergie (ATP). Il est publié dans Génétique de la nature que les mitochondries de la gaine ne contiennent pas d’ADNmt, ainsi qu’un mécanisme qui explique comment elles le perdent lors de la spermatogenèse. La raison en est un épissage alternatif d’un facteur de transcription (TF) appelé mitochondrial A (TFAM) qui est codé dans l’ADN nucléaire (ADNn). Dans sa forme normale, il protège et organise l’ADNmt en nucléoïdes ; De plus, il régule sa réplication et sa transcription, puis son nombre de copies. Le TFAM normal contient un domaine N-terminal qui code pour une séquence de reconnaissance mitochondriale (MTS). séquence de ciblage mitochondrial) qui permet son importation du cytoplasme vers les mitochondries. Dans l’alternative TFAM, la séquence MTS est phosphorylée, ce qui l’empêche d’être importée dans les mitochondries ; au lieu de cela, il s’accumule dans le noyau de la tête du spermatozoïde. Sans TFAM dans les mitochondries de la gaine, le nombre de copies de l’ADNmt paternel est considérablement réduit, à moins d’une seule copie. Cette découverte pourrait avoir des applications thérapeutiques dans certains troubles de la fertilité et dans les thérapies cellulaires germinales.

Dans la nouvelle étude, trois méthodes ont été utilisées pour vérifier l’absence d’ADNmt dans le sperme : (1) une variante de la PCR (celle utilisée pour détecter le coronavirus), appelée PCR numérique en gouttelettes (ddPCR), qui estime qu’en moyenne , contiennent 0,58 copie d’ADNmt ; (2) la technique WGS (Whole Genome Sequencing) qui estime qu’elles contiennent entre 50 et 70 mitochondries, avec une moyenne de 0,14 copies d’ADNmt ; et (3) la sonde RNAscope, qui permet de détecter des molécules individuelles d’ADNmt au cours des différentes phases de la spermatogenèse, confirmant qu’après maturation, il n’y a aucune trace d’ADNmt dans la gaine où se trouvent les mitochondries. La présence de TFAM dans la tête, la gaine et la queue du sperme a également été étudiée par microscopie confocale ; On ne l’observe que dans la tête ; De plus, une relocalisation du TFAM des mitochondries vers le noyau est observée lors de la spermatogenèse. La phosphorylation de la séquence MTS se produit au niveau de deux résidus, les sérines 31 et 34 (bien conservées chez les mammifères) ; Leur mutation en alanines a bloqué la phosphorylation et permis l’importation de TFAM dans les mitochondries. La méthodologie utilisée est très complète et très convaincante.

Évidemment, le fait que le nouveau mécanisme soit très convaincant et étayé par des preuves expérimentales n’implique pas que la phosphorylation du MTS du TFAM soit une condition nécessaire et suffisante pour la transmission maternelle de l’ADN mitochondrial. D’autres mécanismes alternatifs, moins sélectifs, peuvent également être impliqués. Même si des centaines de copies d’ADNmt parental parvenaient à pénétrer dans l’œuf, contre entre 100 et 300 000 copies d’ADNmt maternel dans l’œuf, son héritage uniparental serait expliqué. Le nouvel article est William Lee, …, Ramon Trullas, …, Dmitry Temiakov, « Base moléculaire pour l’héritage maternel de l’ADN mitochondrial humain », Nature Genetics 55 : 1632-1639 (18 septembre 2023), doi : https://doi.org/10.1038/s41588-023-01505-9; niveau de divulgation recommandé Sam Kavoosi, Martin Picard, Brett A. Kaufman, « TFAM mislocalization during spermatogenese », Trends in Genetics 40 : 112-114 (29 novembre 2023), doi : https://doi.org/10.1016/j.tig.2023.11.002; .

Les spermatozoïdes sont formés à partir de cellules souches appelées spermatogonies, qui prolifèrent par mitose dans les tubules séminifères des testicules. Certains se différencient en spermatocytes qui mûrissent à travers deux méoisis (primaire et secondaire) en spermatides, déjà dotés de 23 chromosomes. Ceux-ci se transforment en spermatozoïdes immatures, déjà dans leur forme définitive avec une queue, qui mûrissent, acquérant leur mobilité et leur capacité à féconder un ovule. On pensait qu’après ce processus, les spermatozoïdes accumulaient entre une et mille copies d’ADNmt. Plusieurs mécanismes avaient été proposés qui permettaient la dégradation de cet ADNmt de telle manière qu’une partie de cet ADNmt parental parvenait à pénétrer dans l’œuf lors de la fécondation. On pensait également qu’il devait exister des mécanismes permettant de détruire cet ADNmt agissant dans l’œuf. Toutes ces idées antérieures au nouvel article ne peuvent pas être complètement exclues, mais elles semblent jouer un rôle de soutien sur la base des nouveaux résultats.

Cette figure illustre l’épissage alternatif observé de TFAM, en comparant la forme normale (cellule HEK) avec la forme alternative (sperme SPZ). La forme alternative contient environ 5 kDa (kilodalton) de plus que la forme normale. On observe que la région 3’UTR (partie finale de l’ARN messager qui n’est pas traduite dans le ribosome) est plus courte dans la forme alternative. De plus, un premier exon est observé (I^T) qui est ajouté juste avant le premier exon (I), sans altérer le cadre ouvert de lecture de la protéine codée. Et enfin, la séquence MTS est observée dans les résidus 1 à 42, qui n’apparaissent pas sous la forme normale.

La microscopie confocale d’un spermatozoïde (haut et centre) permet de localiser le TFAM (couleur rouge) dans la tête, les mitochondries (couleur verte) dans la gaine (un anticorps anti-TOM20 est utilisé) et le noyau (couleur bleue) à l’aide du DAPI colorant. Le nombre de copies d’ADNmt mesuré avec ddPCR (ci-dessous) dans cinq échantillons indique des nombres inférieurs à l’unité (sauf dans l’échantillon 1), la moyenne étant de 0,58 ADNmt par spermatozoïde. Pour ceux qui souhaitent plus de détails sur la méthodologie de cette recherche, je recommande la lecture de l’article, qui présente très clairement chacune des preuves qui soutiennent l’hypothèse présentée. Il s’agit sans aucun doute d’un travail très intéressant qui devra être confirmé par des preuves indépendantes. Il ne faut jamais oublier qu’en biologie, presque tout est beaucoup plus compliqué qu’il n’y paraît à première vue.