Étude de l'instabilité trinucléotidique lors de la spermiogenèse

• Main Author: Simard, Olivier
• Other Authors: Boissonneault, Guylain
• Language: French; English
• Published: Université de Sherbrooke 2017
• Subjects: Maladie de Huntington; Répétitions trinucléotidiques; Spermiogenèse; Remodelage de la chromatine; Stress torsionnel; Huntington disease; Trinucleotidic repeats; Spermiogenesis; Chromatin remodeling; Torsional stress
• Online Access: http://hdl.handle.net/11143/10212

Les maladies à expansion de triplets nucléotidiques situés dans la région codante, telles que la maladie de Huntington, sont des maladies où les gènes en questions possèdent un nombre de répétitions trinucléotidiques anormalement élevé et inversement corrélé avec l'âge d‟apparition des symptômes. Plusieurs de ces maladies démontrent une anticipation paternelle, où un ajout de répétitions trinucléotidiques a lieu pendant la spermiogenèse, mais les étapes et les mécanismes impliqués sont encore mal compris. Or, la spermiogenèse est caractérisée par un remodelage drastique de la chromatine, où les histones sont ultimement remplacées par les protamines afin de compacter et protéger davantage le matériel génétique. Cette transition implique aussi un changement topologique majeur qui mène à une accumulation de superenroulement négatif qui est éliminé par la topoisomérase 2[beta]. Pour identifier les étapes précises où l'extension trinucléotidique a lieu, j'ai développé une stratégie de séparation des spermatides en utilisant la cytométrie en flux, ce qui m'a permis d'obtenir quatre populations, soit les spermatides aux étapes 1 à 9, 10 à 12, 13-14 et 15-16. J'ai appliqué cette stratégie sur un modèle de souris transgéniques pour la maladie de Huntington, ce qui a permis de démontrer par PCR que l'extension trinucléotidique des répétitions CAG a lieu à la fin du remodelage de la chromatine, soit à l'étape 14. Afin d‟élucider le mécanisme d‟extension trinucléotidique, j'ai utilisé une stratégie in vitro, basée sur l'incubation d‟extraits nucléaires actifs de spermatides avec un plasmide contenant des répétitions CAG. Cette stratégie a démontré que le superenroulement négatif libre, tel que retrouvé pendant le remodelage de la chromatine, est capable d'induire des structures secondaires dans les répétitions CAG, ce qui entraîne une cascade d‟événements menant à l'extension trinucléotidique. J'ai validé ce processus en inhibant aussi les topoisomérases de type 2 qui sont responsables d'éliminer le superenroulement. Finalement, j‟ai démontré que la protamination de l‟ADN, telle qu'observée dans les spermatides, accentue l'accumulation de stress torsionnel aux répétitions CAG, ce qui favorise leur extension. Mes travaux sur le stress torsionnel lors de la protamination suggèrent une nouvelle source potentielle d'instabilité trinucléotidique, nécessitant une caractérisation additionnelle. Cette source d'instabilité, qui est spécifique au mâle, jouerait un rôle majeur dans l'anticipation paternelle des maladies trinucléotiditiques. === Abstract : Trinucleotidic diseases, such as the Huntington disease, are genetic diseases characterized by abnormally long trinucleotidic repeats within a specific gene, which are inversely correlated with the age of onset of symptoms when within exons. Many trinucleotidic diseases display paternal anticipation, where trinucleotidic repeats are added during spermiogenesis, without any details on the mechanism or the steps involved. Interestingly, spermiogenesis is characterized by a drastic chromatin remodeling, where histones are ultimately replaced by protamines in order to achieve greater compaction and protection of DNA. This transition also involves major topological changes, where accumulation of negative supercoils are eliminated by the topoisomerase 2[beta]. In order to identify the specific steps where trinucleotidic extension occurs, I have developed a strategy to separate spermatids from mice, using flow cytrometry. This allowed me to purify four distinct spermatids population, consisting of steps 1-9, 10-12, 13-14 and 15-16 spermatids. The sorting strategy was used on a transgenic mouse model of the Huntington disease, which allowed me to determine, using PCR, that CAG extension occurs at the end of chromatin remodeling, more specifically at step 14. The mechanism of extension was investigated using an in vitro approach, based on the incubation of active nuclear extracts from spermatids with a plasmid containing CAG repeats. Using this strategy, I showed that free negative supercoils, as observed during chromatin remodeling, may lead to secondary structures, and more specifically hairpins in trinucleotidic repeats, which ultimately result in trinucleotidic extension. This hypothesis was validated by inhibiting enzymes such as type 2 topoisomerases, since they are responsible for negative supercoils removal. Moreover, I showed that DNA protamination, as observed in spermatids, may increase torsional stress at CAG repeats and leads to expansion. In conclusion, this work suggest that torsional stress induced by protamination of DNA could be a new potential source of trinucleotidic instability. Moreover, this male specific source of trinucleotidic instability could play a major role in paternal anticipation of trinucleotidic diseases.