Pendant les derniers stades de la spermatogenèse, les cellules germinales mâles post-méiotiques subissent une réorganisation dramatique de l'architecture de leur chromatine, impliquant notamment le remplacement presque total des histones par les protamines, créant des noyaux fortement condensés que l'on trouve dans le sperme mature. Au cours de ce processus, un événement précoce clé est la vague d'hyperacetylation des histones, qui précède leur remplacement. Notre équipe a précédemment identifié le facteur d'expression testiculaire de la famille BET, Brdt (BRomoDomain Testis), qui se lie aux histones acétylées via ses deux bromodomaines, comme essentiel au cours de ce processus. Cependant, les mécanismes aboutissant à l'hyperacétylation des histones à l'échelle génomique sont encore inconnus, ce qui reste l'une des questions majeures dans le domaine. La protéine NUclear in Testis (NUT) est un facteur spécifique testiculaire dont la fonction physiologique dans les cellules germinales mâles était inconnue. Cette protéine se trouve exprimée de manière ectopique dans un cancer rare mais très agressif, le carcinome de la ligne médiane (NUT Midline Carcinoma), en fusion avec BRD4, produisant ainsi une protéine de fusion hautement oncogène. Dans les cellules cancéreuses NUT est capable de recruter et d'activer l'histone acétyltransférase p300, contribuant ainsi à l'activité oncogénique de la protéine de fusion BRD4-NUT. Mon projet de doctorat est d'explorer la fonction physiologique de NUT, en étudiant des souris knock-out pour NUT qui ont été générées par notre équipe en collaboration avec Mathieu Gérard (Saclay). L'absence de NUT provoque une stérilité mâle associée à un arrêt de la spermatogenèse lors de l'allongement et de la condensation des spermatides, au stade où normalement les histones sont remplacées. D'autres expériences suggèrent que NUT pourrait agir sur la régulation de marques épigénétiques, y compris l'hyperacétylation des histones. Les mécanismes par lesquels NUT interfère avec la vague d'acétylation et les facteurs en interaction, y compris Brdt, sont explorées. Au total, cette étude démontre la contribution essentielle du NUT à la régulation épigénétique et au remplacement des histones au cours de la maturation post-méiotique des cellules germinales mâles. / During the late stages of spermatogenesis, post-meiotic male germ cells undergo a dramatic reorganization of their chromatin architecture involving the almost genome wide replacement of histones by protamines, creating highly condensed nuclei that are found in the mature sperm. During this process a key early event is known to be the wave of histone hyperacetylation, which precedes their replacement. Our team previously reported that the testis specific BET factor BRDT (BRomoDomain Testis specific), which binds acetylated histones, is essential during this process. However, how this genome wide hyperacetylation occurs has remained one of the major questions in the field. NUclear protein in Testis (NUT) is a testis specific factor whose physiological function in male germ cells was unknown. It has been found ectopically expressed in NUT Midline Carcinoma, a rare but highly aggressive cancer, in fusion with BRD4, resulting in a highly oncogenic fusion protein. In cancer cells, NUT is able to recruit and activate the histone acetyltransferase p300, hence contributing to the oncogenic activity of the BRD4-NUT fusion protein. My Ph.D. project investigates the original function of NUT by using NUT knockout mice that were generated by our team in collaboration with Mathieu Gerard (Saclay). The absence of NUT causes male sterility associated with a spermatogenic arrest during spermatids elongation/condensation, at a stage when histone replacement normally takes place. Additional experiments suggest that NUT could act through the regulation of epigenetic marks, including histone hyperacetylation. The mechanisms by which NUT interferes with the hyperacetylation wave and interacting factors, including Brdt, are explored. Altogether this study demonstrates the essential contribution of NUT to the epigenetic regulation and histone replacement during the post-meiotic maturation of male germ cells.

Somatic cell nuclear transfer (SCNT) is a useful tool for selective breeding, conservation, and production of transgenic animals. Despite the successful cloning of several species, high rates of embryo failure following SCNT prevent the wide-scale use of the technique. Embryos produced through cloning have a higher incidence of developmental arrest, decreased developmental potential, frequent implantation failures, and increased incidence of abortion. The objective of this dissertation research was to characterize the factors that lead to SCNT failures by examining epigenetic and apoptotic pathways that can negatively influence the development of cloned preimplantation embryos. Aberrant genome reprogramming is generally considered to be a key factor in the failure of SCNT embryo development. Therefore, we used bisulfite pyrosequencing technology to compare DNA methylation patterns of several genes critical for embryonic development (POU5F1, NANOG, SOX2, and KLF4) in SCNT and in vitro fertilized (IVF) blastocyst stage embryos. The methylation profiles obtained from these experiments indicate that methylation patterns of the POU5F1 gene were undermethylated compared to IVF embryos, suggesting reprogramming did occur, but that the reduced methylation was inappropriate for the blastocyst stage. Furthermore, aberrant methylation profiles were detected for SOX2 and NANOG, suggesting that problems of genome reprogramming following SCNT can be gene-specific or localized. Because high rates of apoptosis are associated with failure of preimplantation embryos, we compared the activation of the P53-mediated apoptosis pathway in individual IVF and SCNT preimplantation embryos at multiple developmental stages. This pathway is activated in response to cell stress and genomic instability, and in response to the expression of genes associated with somatic cell reprogramming. Evidence from gene expression and immunohistochemistry analyses suggests that the P53 pathway is frequently active in SCNT embryos. Also, we detected expression of several factors known to induce apoptosis more frequently and at higher levels in SCNT embryos. Collectively, the work presented here illuminates some of the molecular consequences of incomplete or inappropriate genome reprogramming in cloned embryos. The identification of these factors may lead to interventions that target the apoptosis pathway during preimplantation development and increase SCNT success rates.

La spermatogenèse, processus de production des gamètes mâles, représente un modèle physiologique pertinent pour l'étude de la dynamique de la chromatine. En effet, la chromatine de type somatique subit un remodelage drastique en fin de spermatogenèse, lors des étapes post-méiotiques. La chromatine, organisée en nucléosomes, est restructurée par enlèvement massif des histones qui sont remplacées par des petites protéines basiques spécifiques des spermatozoïdes, les protamines. Les mécanismes moléculaires responsables de cette transition structurale de la chromatine sont encore mal connus et constituent le champ d'investigation de notre laboratoire. D'autre part, la programmation de l'expression des gènes doit être finement régulée au cours de la spermatogenèse, afin de permettre l'expression des facteurs qui guideront les transitions structurales de la chromatine en post-méiose. Les marques épigénétiques mises en œuvre pour déterminer le statut d'expression des gènes sont encore mal documentées. Enfin, après fécondation de l'ovocyte par le spermatozoïde, le génome mâle subit à nouveau une restructuration visant à inverser le processus et à rendre la chromatine de type somatique, tout en prenant en compte les informations épigénétiques amenées par le spermatozoïde. Les évènements chromatiniens visant à reprogrammer le génome mâle après fécondation sont eux aussi peu connus. Au cours de ma thèse, je me suis intéressée à décrypter l'action de nouveaux acteurs épigénétiques, tels que des variants d'histones et des modifications post-traductionelles des histones, dans le cadre de la spermatogenèse chez la souris. Je démontre leurs implications lors du remplacement massif des histones en post-méiose, mais également vis-à-vis de la régulation de l'expression des gènes, ainsi que lors du développement embryonnaire précoce après fécondation. / The process of male gametogenesis, called spermatogenesis, represents a relevant physiological model to study chromatin dynamics. Indeed, a drastic chromatin remodeling occurs during the postmeiotic steps of spermatogenesis. The nucleosomal-based chromatin is restructured by massive eviction of histone and subsequent replacement by sperm small basic proteins, the protamines. Molecular mechanisms involved during this structural transition of chromatin are obscure, and constitute the area of investigation of our lab. On the other hand, gene expression program has to be tightly regulated during spermatogenesis, to allow expression of factors that will guide postmeiotic chromatin structural transitions. Implemented epigenetic marks which determined this gene expression program are poorly documented. Finally, the male genome undergoes a new chromatin restructuration after fertilization by an inverted process that lead to a somatic chromatin, while taking into account epigenetic information carried by the spermatozoa. Chromatin events involved in male genome reprogramming after fertilization are also poorly documented. During my PhD thesis, I have been interested in deciphering the role of new epigenetic actors in the context of murine spermatogenesis, as histone variants and histones post-translational modifications. I reveal their involvement in the massive postmeiotic histone replacement, for the regulation of gene expression, and in the early embryonic development.