Les différents rôles critiques de la méthylation de l’ADN dans le développement de la lignée germinale mâle

Critical and different roles of DNA methylation in male germ cell development

• Auteur / Autrice : Mathilde Dura
• Direction : Déborah Bourc'his
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Soutenance le 22/09/2021
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Complexité du vivant (Paris ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Génétique et biologie du développement (Paris ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Petra Hajkova
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Fouchet, Michaël Weber, Celine Vallot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Petra Hajkova, Dónal O'Carroll

Mots clés

Mots clés contrôlés

Souris de laboratoire

Cellules germinales

Spermatogenèse

Méthylome

Mots clés libres

Spermatogenèse

Cellules germinales

Méthylation de l'ADN

Reprogrammation épigénétique

Éléments transposables

Spermatogenesis

Germ cells

DNA methylation

Epigenetic reprograming

Transposable elements

Résumé

La méthylation de l'ADN, associée à la répression des gènes et des éléments transposables (ET), joue un rôle essentiel dans la spermatogenèse. Le méthylome des futurs gamètes est reprogrammé : les profils de méthylation somatiques sont effacés, des profils spécifiques des cellules germinales sont établis. Trois de novo ADN méthyltransférases (DNMT) sont essentielles à la méthylation de l'ADN des cellules germinales mâles chez la souris : les enzymes DNMT3C et DNMT3A et leur cofacteur DNMT3L. Il a été montré que DNMT3C est l'enzyme qui méthyle sélectivement les ET les plus jeunes évolutivement. Cependant, les cibles et la fonction de DNMT3A étaient encore inconnues. Je me suis donc intéressée aux rôles de DNMT3A et DNMT3C dans la régulation épigénétique de la spermatogénèse. J'ai démontré (projet 1) une division de travail remarquable : alors que DNMT3C empêche les ET d'interférer avec la méiose, DNMT3A méthyle largement le génome, à l'exception des ET dépendants de DNMT3C. J'ai découvert que les cellules souches spermatogoniales (CSS) mutantes pour Dnmt3A ont perdu leur potentiel de différentiation à cause de l’activation erronée d’enhancers qui imposent un programme génétique de cellules souches. Ce travail révèle une nouvelle fonction de la méthylation de l'ADN dans la fertilité mâle. En parallèle (projet 2), j’ai étudié la nature de la spécificité de reconnaissance des jeunes ET par DNMT3C. Ces séquences présentent une dynamique chromatinienne unique: d’abord un profil bivalent de type H3K4me3-H3K9me3 qui évolue vers un enrichissement H3K9me3 exclusif. Mon travail a ainsi fourni des éléments nouveaux pour comprendre le rôle de la méthylation de l’ADN en reproduction.

DNA methylation, associated with gene or transposable element (TE) repression, plays a key role in spermatogenesis. During germ cell development, their methylome is reprogrammed: somatic patterns are erased and germ cell-specific patterns are established. Three de novo DNA methyltransferases (DNMTs) are essential for shaping male germ cell DNA methylation in mice: DNMT3C and DNMT3A enzymes and DNMT3L co-factor. DNMT3C was shown to selectively methylate young TEs. However, the targets and function of DNMT3A was still unknown. During my PhD, I investigated the interplay between DNMT3A and DNMT3C in the epigenetic regulation of spermatogenesis. First (project 1), I reported a striking division of labor: while DNMT3C prevents TEs from interfering with meiosis, DNMT3A broadly methylates the genome—except DNMT3C-dependent TEs—and controls spermatogonial stem cell (SSC) plasticity. By single-cell RNA-seq and chromatin states profiling, I found that Dnmt3A mutant SSCs cannot differentiate due to spurious enhancer activation that enforces a stem cell gene program. I thus demonstrated a novel function for DNA methylation for SSC differentiation and life-long spermatogenesis supply. Second (project 2), I investigated the chromatin determinants of DNMT3C specificity towards young TEs. I found that these sequences present unique dynamics: first a bivalent H3K4me3-H3K9me3 enrichment, followed by a switch to H3K9me3-only. H3K9me3-enrichment was also a hallmark of the sequences that gain DNA methylation upon ectopic DNMT3C expression in cultured embryonic stem cells. As a whole, my work provided novel insights into the complexity of DNA methylation-based control of reproduction.