L'impact du stress redox sur l'intégrité génétique/épigénétique des spermatozoïdes chez les mammifères

The impact of redox stress on the genetic/epigenetic integrity of mammalian spermatozoa

• Auteur / Autrice : Aron Moazamian
• Direction : Joel Drevet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biologie santé
• Date : Soutenance en 2024
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de la Vie, Santé, Agronomie, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Génétique, Reproduction et Développement UMR 1103 UMR 6293
• Jury : Président / Présidente : Claude Beaudoin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Joel Drevet, Elisabetta Baldi, Jeanne Perrin, Valérie Grandjean, Robert John Aitken
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Elisabetta Baldi, Jeanne Perrin, Valérie Grandjean

Mots clés

Mots clés libres

Stress oxydant

Stress réducteur

Qualité de l'ADN du sperme

Épigénétique

Oxidative stress

Reductive stress

Sperm DNA quality

Epigenetics

Résumé

L'infertilité et la subfertilité touchent une part importante de la population mondiale, les facteurs masculins contribuant à près de la moitié de ces cas. Malgré leur prévalence, les facteurs de subfertilité/infertilité masculine ne permettent pas de prédire l'issue de la grossesse, ce qui fait que ces patients sont sous-diagnostiqués et sous-traités. Nous pensons, comme d'autres, que cela est dû en grande partie aux complexités sous-jacentes découlant du stress oxydant (SO) et de son impact sur l'intégrité génétique des spermatozoïdes. Les conséquences néfastes du SO sur la santé reproductive masculine comprennent la subfertilité, l'infertilité, un risque accru de fausse couche et une plus grande probabilité de transmettre des variants génétiques à la génération suivante. Il est toutefois essentiel de reconnaître que le SO n'est qu'une composante du véritable coupable - le déséquilibre redox - et que sa contrepartie, le stress réducteur, présente des risques tout aussi importants pour l'issue de la grossesse. Cette thèse explore trois grands thèmes liés à l'impact du stress redox sur l'intégrité génétique et épigénétique des spermatozoïdes : (1) Établir l'importance de l'équilibre redox reproductif: alors que l'atténuation du SO par la supplémentation en micronutriments antioxydants peut sembler une solution simple, nous avons examiné les dommages potentiels d'un « surdosage involontaire », même à des doses considérées comme sûres. De nouvelles données issues de nos modèles animaux montrent qu'une utilisation inappropriée de micronutriments antioxydants courants peut nuire à l'intégrité génétique des spermatozoïdes et avoir des conséquences négatives sur l'issue de la grossesse. À l'inverse, lorsqu'ils sont administrés à des souris en état de SO, ces suppléments peuvent être bénéfiques, ce qui met en évidence la sensibilité et la nature critique de l'équilibre redox reproductif. (2) Développement et optimisation de tests diagnostic : le manque actuel d'outils de diagnostic robustes et faciles à utiliser signifie que le SO n'est pas régulièrement testé et, si l'on tente de le faire, il est souvent mal diagnostiqué, ce qui entrave l'efficacité du traitement. Une partie de ce travail s'est concentrée sur le développement de nouveaux tests pour évaluer le SO des spermatozoïdes, avec une utilisation potentielle en diagnostic clinique. Un tel outil permettrait de mieux comprendre les causes sous-jacentes de la subfertilité et de déterminer le degré approprié de supplémentation en antioxydants pour améliorer les résultats des patients tout en évitant les risques d'une sur-supplémentation. (3) Impact de l'OS sur les altérations épigénétiques des sper matozoïdes : si l'impact de l'OS sur l'intégrité génétique des spermatozoïdes est bien documenté, ses effets sur les altérations épigénétiques sont moins bien compris. L'OS est soupçonné d'induire des modifications épigénétiques dans les spermatozoïdes, affectant les profils de méthylation, la structure de la chromatine et même les profils des petits ARN non codants (sncRNA). (qui ont fait l'objet d'une attention particulière dans cette thèse). Ces altérations pourraient avoir de profondes répercussions sur la fertilité et la santé de la progéniture, compromettant potentiellement les résultats de la reproduction et augmentant le risque d'effets transgénérationnels. Dans le cadre d'un programme conjoint industrie-université, cette thèse combine la recherche appliquée avec des implications traduisibles pour le milieu clinique et l'exploration de nouveaux mécanismes biologiques fondamentaux. Mon intention et mon espoir sont que cette thèse fournisse un récit scientifique convaincant pour souligner la criticité du maintien d'un environnement redox reproductif équilibré afin de préserver l'intégrité des spermatozoïdes, d'améliorer les résultats de la fertilité, de guider le développement de diagnostics futurs et, en fin de compte, de faire progresser le domaine de la médecine reproductive.

Infertility and subfertility impact a significant portion of the global population, with male factors contributing to nearly half of these cases. Despite its prevalence, male subfertility/infertility factors remain elusively predictive of pregnancy outcomes, leaving these patients underdiagnosed and undertreated. We and others, believe this is largely due to underlying complexities stemming from oxidative stress (OS) and its impact on sperm genetic integrity. The adverse consequences of OS on male reproductive health include subfertility, infertility, increased risk of miscarriage, and a higher likelihood of passing on de novo genetic variants to the next generation. It is crucial however to recognize that OS is just one component of the true culprit - redox imbalance - and its opposite counterpart, reductive stress, poses equally significant risks to pregnancy outcomes. This thesis explores three broad themes related to the impact of redox stress on sperm genetic and epigenetic integrity: (1) Establishing the importance of reproductive redox balance: while mitigating OS through antioxidant micronutrient supplementation may seem like a straightforward solution, we examined the potential harm from “inadvertent over-dosing'' with such ingredients, even at doses previously considered safe. Novel evidence from our animal models show that inappropriate use of common water-soluble antioxidant micronutrients can harm sperm genetic integrity and may adversely affect pregnancy outcomes. Conversely, when administered to mice under a state of OS, these supplements can provide benefits, highlighting the sensitivity and critical nature of the reproductive redox balance. (2) Development and optimization of diagnostic assays: the current lack of robust and easy to use diagnostic tools means OS is not regularly tested for and, if attempted, is often misdiagnosed, hindering effective treatment. Part of this work focused on developing novel assays to assess sperm OS, with potential clinical diagnostic use. Such a tool could provide insights into the underlying causes of subfertility and determine the appropriate degree of antioxidant supplementation to enhance patient outcomes while avoiding the risks of over-supplementation. (3) Impact of OS on Sperm Epigenetic Alterations: while the impact of OS on sperm genetic integrity is well-documented, its effects on epigenetic alterations are less understood. OS is suspected to induce epigenetic modifications in sperm, affecting methylation patterns, chromatin structure, and even small non-coding RNA (sncRNA) profiles (which were of particular focus in this thesis). These alterations could have profound implications for fertility and offspring health, potentially compromising reproductive outcomes and increasing the risk of transgenerational effects. As part of an industry-academic joint program, this thesis combines applied research with translatable implications for the clinical setting alongside an exploration of novel, basic biological mechanisms. My intention and hope are that this thesis provides a compelling scientific narrative to underscore the criticality of maintaining a balanced reproductive redox environment to preserve sperm integrity, improve fertility outcomes, guide the development of future diagnostics, and ultimately advance the field of reproductive medicine.