The impacts of the widely used herbicide atrazine on epigenetic processes of meiosis and transgenerational inheritance

par Chunxiang Hao

Thèse de doctorat en Biologie

Sous la direction de Fatima Smagulova et de Michael Primig.

Soutenue le 07-07-2016

à Rennes 1 , dans le cadre de École doctorale Vie-Agro-Santé (Rennes) , en partenariat avec Université Bretagne Loire (ComuE) et de Institut de recherche en santé environnement et travail -- Rennes (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Impact d’un herbicide largement utilisé, l’atrazine, sur les régulations épigénétiques de la méiose et l’héritage transgénérationel


  • Résumé

    Les facteurs environnementaux, tels que les pesticides, peuvent induire des changements phénotypiques dans une variété d'organisme incluant les mammifères. Nous avons étudié chez la souris les effets d'un pesticide largement utilisé, l'atrazine (ATZ), sur la méiose, une étape clé du processus de spermatogenèse. L'utilisation des méthodes de puces à ADN (Gene-Chip) et de séquençage de chromatine immunoprécipité (ChIP-seq) nous a permis de mettre en évidence l'effet de l'ATZ sur une variété de fonctions cellulaires, incluant l'activité GTPase, la fonction mitochondriale et le métabolisme des hormones stéroïdes. De plus, les souris traitées présentent un enrichissement des marques d'histone H3K4me3 au niveau des régions de forte recombinaison (sites de cassures double brin) de gènes très long et une réduction de ces mêmes marques au niveau des régions pseudo-autosomal du chromosome X. Nos données démontrent que l'exposition à l'ATZ interfère avec le déroulement normal de la méiose, ceci affectant la production des spermatozoïdes. Nous avons trouvé que les marques H3K4me3, chez la souris mâle, sont largement affectées par l'ATZ grâce à l'utilisation de technique de séquençage du génome entier. La reprogrammation embryonnaire nécessite l'action coordonnée d'un grand nombre de gène et de facteurs épigénétiques afin de permettre la transition de cellules somatique en cellules germinales. Les modifications épigénétiques imposées pendant la transition des cellules somatiques en cellules germinales et affectées par des expositions nocives, peuvent être héritées et transmises aux générations suivantes via les gamètes. Dans cette étude, nous avons examiné l'héritage des histones modifié aux générations suivantes. Nous avons exposés des femelles gestantes CD1 non consanguines à l'ATZ et les mâles issus de ces femelles ont été croisés pendant trois générations avec des femelles non traitées. Nous avons démontré ici que l'exposition à l'ATZ réduit le nombre de spermatozoïdes sans affecter la morphologie cellulaire ou la proportion des différents types cellulaires constituant l'épithélium séminifère chez les individus issus de la 3ème génération après traitement. Beaucoup de gènes associés avec la réparation de l'ADN, la reproduction et les fonctions mitochondriales sont dérégulés chez les mâles issus de la 3ème génération après traitement. De façon importante, l'exposition à l'ATZ change dramatiquement l'initiation de la transcription, l'épissage et la polyadénylation alternative des ARN. Nous avons aussi observé chez les mâles F3 issus de souris traitées à l'ATZ une altération de la localisation des marques H3K4me3 dans le promoteur de gène associé à la régulation de processus métaboliques cellulaires, à la régulation de la transcription et à la mitose. Les changements de localisation des marques H3K4me3 chez les mâles F3 issus de souris traitées à l'ATZ correspondent à des changements de la localisation de ces marques au niveau de gènes impliqués dans la différenciation des cellules de type souche de la génération F1.Nos données suggèrent que l'héritage transgénérationnel est permis grâce à de multiples voies et repose sur le statut épigénétique de gènes impliqués dans la différenciation des cellules de type souches tels que Pou5f1 et Sox2, l'action des facteurs de transcription et la rétention d'histones dans le sperme.


  • Résumé

    Environmental factors such as pesticides can cause phenotypic changes in various organisms, including mammals. We studied the effects of the widely used herbicide atrazine (ATZ) on meiosis, a key step of gametogenesis, in male mice. We demonstrate that exposure to ATZ reduces testosterone levels and the number of spermatozoa in the epididymis and delays meiosis. Using Gene-Chip and ChIP-Seq analysis of H3K4me3 marks, we found that a broad range of cellular functions, including GTPase activity, mitochondrial function and steroid-hormone metabolism, are affected by ATZ. Furthermore, treated mice display enriched histone H3K4me3 marks in regions of strong recombination (double-strand break sites), within very large genes and reduced marks in the pseudoautosomal region of X chromosome. Our data demonstrate that atrazine exposure interferes with normal meiosis, which affects spermatozoa production.We found that the H3K4me3 marks in male mice are broadly affected by the widely used herbicide atrazine with genome wide ChIP-sequencing. Embryonic reprogramming requires the coordinated action of many genes and epigenetic factors to perform somatic to germline transition. The epigenetic modifications imposed during somatic to germline transition and affected by harmful exposure can be inherited and transferred to subsequent generations via the gametes. In this study, we examine the inheritance of altered histone modifications by subsequent generations. We exposed pregnant outbred CD1 female mice to the widely used herbicide atrazine (ATZ), and the male progeny were crossed for three generations with untreated females. We demonstrate here that exposure to ATZ reduces the number of spermatozoa without changing the cell morphology or types in testis tissue in the third generation after treatment. Many genes associated with DNA repair, reproduction and mitochondrial function became dysregulated in the third generation (F3) of males after treatment. Importantly, exposure to ATZ dramatically changes the transcription initiation, splicing and alternative polyadenylation of RNA. We also observed altered occupancy of H3K4me3 markers in the F3 generation of ATZ-derived males in gene promoters associated with the regulation of cellular metabolic processes, transcriptional regulation and mitosis. The changes in H3K4me3 occupancy in F3 ATZ-derived males correspond to changes in the H3K4me3 occupancy of stem cell differentiation genes in the F1 generation. Our data suggest that transgenerational inheritance is accomplished through multiple pathways and relies on the epigenetic state of stem cell differentiation genes such as Pou5f1 and Sox2, transcription factor action and sperm histone retention.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (334 f.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 304-334

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  • Bibliothèque : Université de Rennes 1. Service commun de la documentation. BU Villejean Santé.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 370050/2016/7/D
  • Bibliothèque : Université de Rennes I. Service commun de la documentation. Bibliothèque de ressources en ligne.
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